GaN和SiC都是新技術(shù)，而且正迅速帶來多樣化應(yīng)用和設(shè)計創(chuàng)新。GaN和SiC器件正在形成特定市場，同時，在這些WBG技術(shù)之間也存在著部分的市場重疊。
氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)半導(dǎo)體現(xiàn)已量產(chǎn)，并迅速擴大其市場份額。據(jù)市場研究公司Yole稱，到2027年底，GaN和SiC器件將占功率半導(dǎo)體市場的30%，并進而取代硅MOSFET和IGBT。這是相當(dāng)巨大的提升，因而有必要更清楚地了解這些寬禁帶(WBG)一類的功率產(chǎn)品在其基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)、制造實踐和目標(biāo)應(yīng)用方面的不同發(fā)展。
納微半導(dǎo)體(Navitas Semiconductor)企業(yè)營銷副總裁Stephen Oliver坦言，如今這一領(lǐng)域主要都是SiC，畢竟它在產(chǎn)量方面領(lǐng)先GaN大約十年或甚至更長旳時間。“這意味著電源設(shè)計工程師將會對它更加熟悉。此外，它更多是單獨的組件，這意味著你可以用其中的一種組件來取代另一種組件。”
Oliver補充說，大多數(shù)SiC器件采用三引腳的封裝，這使其極其適合高功率、高電壓的應(yīng)用。因此，SiC器件被廣泛用于風(fēng)力渦輪機、太陽能逆變器、鐵路機車(火車頭)以及卡車和公共汽車等。另一方面，對于GaN半導(dǎo)體，他認(rèn)為650V和700V器件能夠滿足從20W手機充電器到20kW電源應(yīng)用的任何需求。“除此之外，SiC是更合適的選擇。”
圖1：GaN基的Dell Alienware 240W充電器尺寸幾乎相當(dāng)于舊款的90W充電器，但在其相同的體積下增加了2.7倍的功率。
（資料來源：GaN Systems）
SiC和GaN的最佳應(yīng)用
GaN Systems的首席執(zhí)行官Jim Witham也將SiC和GaN領(lǐng)域歸類為分別適用于高功率、高壓以及中功率、中壓的應(yīng)用。“GaN半導(dǎo)體通常跨50V至900V電壓范圍，而SiC器件則用于1,000V以上的應(yīng)用。”他還指出，硅仍然是低功耗、低電壓應(yīng)用的可行選擇，適合低于40V至50V的電源設(shè)計。
在解釋每種半導(dǎo)體技術(shù)與需求相互匹配的領(lǐng)域時，Witham表示，以功率水平來看，硅適于20W及以下的應(yīng)用，GaN適用于20W至100kW，SiC則適用于100kW至300kW及以上應(yīng)用。“硅、GaN和SiC分別有其甜蜜點，但在其交界邊緣也存在一些重疊與競爭。”
他還認(rèn)為SiC在服務(wù)于汽車——尤其是電動汽車(EV)的牽引逆變器——以及高能電網(wǎng)與風(fēng)能、太陽能等應(yīng)用時表現(xiàn)亮眼。他補充說，對于GaN晶體管、手機和筆記本電腦的移動充電器已經(jīng)出現(xiàn)，而數(shù)據(jù)中心電源才剛剛起步。至于未來，Witham認(rèn)為GaN半導(dǎo)體將在車載充電器(OBC)和電動汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器等汽車領(lǐng)域大放異彩。
圖2：GaN基的DC-DC轉(zhuǎn)換器在電動汽車和混合動力汽車越來越受歡迎，可用于橋接高壓電池組與低壓輔助電路。
（資料來源：GaN Systems）
在日前于美國拉斯維加斯(Las Vegas)舉行的CES 2023上，總部位于加拿大渥太華的GaN半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商GaN Systems展示了與Canoo聯(lián)手打造的7.2kW OBC(Canoo是一家為沃爾瑪和美國陸軍提供車輛的電動汽車公司)。同時GaN Systems還與Vitesco合作展示了可在800V電池總線架構(gòu)中運行的GaN基DC-DC轉(zhuǎn)換器，它可獲取電池電壓并將其更改為適合低壓輔助電路(如汽車擋風(fēng)玻璃雨刷和門鎖)的電壓。
制造產(chǎn)能對比
以晶圓制造來看，我們看到在SiC方面有著許多的活動。以Wolfspeed為例，該公司斥資近100億美元在紐約馬西新建200mm SiC工廠。Oliver表示，這些SiC從業(yè)者希望掌握自己的命運。“如果回到四年前來看，Wolfspeed，然后是Cree，是唯一生產(chǎn)SiC晶圓的公司，當(dāng)時僅晶圓就需要3,000美元，而今，市面上大約已有8家合格的SiC晶圓供應(yīng)商了，價格也已降低到1,000美元左右。”
Oliver預(yù)計再過四年價格可能降到400美元。他補充道：“因此，SiC晶圓將會商品化，一旦成為商品，制造將不再是優(yōu)勢。換句話說，供應(yīng)過程的垂直整合將無法作為優(yōu)勢，因為重點在于芯片的設(shè)計。”
另一方面，Oliver指出，雖然GaN是一種先進材料，但GaN半導(dǎo)體可以使用舊制程。因此，Oliver說：“盡管芯片設(shè)計師已在談?wù)?2nm以及更先進的制造節(jié)點，但我們?nèi)匀辉谑褂?00nm制程設(shè)備來制造GaN器件。”對于GaN半導(dǎo)體，Navitas采用臺積電的2號工廠，這是臺積電仍在運營中的最古老晶圓廠。“它使用的設(shè)備已經(jīng)完全攤銷其賬面價值了，但仍然提供非常高的質(zhì)量和良好的產(chǎn)能。”
圖3：針對GaN的制造可以改造舊有的晶圓廠，因此GaN供應(yīng)商無需花費數(shù)十億美元建造新晶圓廠。
（資料來源：Navitas Semiconductor）
他補充道：“GaN的好處是你不需要花費數(shù)十億美元建造新晶圓廠，而是可以改造舊有的晶圓廠。我們估計美國有40座還在生產(chǎn)舊芯片的舊廠，它可以重新改造為生產(chǎn)GaN或SiC半導(dǎo)體的產(chǎn)線。”因此，針對GaN和SiC制造方面都還能有許多產(chǎn)能。
Witham關(guān)于GaN制造的觀點與Oliver的立場不謀而合。Witham表示，雖然晶圓產(chǎn)能對于SiC來說可能會是個問題，但對于GaN半導(dǎo)體來說并不成問題，因為它大約需要花費數(shù)百萬美元即可增加產(chǎn)能。他說：“如果你去中國、臺灣和韓國，就會看到工廠采用價值數(shù)百萬美元的機器來制造GaN器件。采用這些大小如同小貨車般的機器，我們只需要幾百萬美元就可以增加產(chǎn)能了，但業(yè)內(nèi)并不常談到這一點。”
GaN與SiC的較量
2022年夏天，Navitas收購了SiC開發(fā)商GenSic，在這筆交易背后有一個有趣的理由。根據(jù)Oliver的說法，GaN器件可望帶來130億美元的市場，而在前面的40-50億美元市場之間存在著競爭。他說：“有時候是GaN，有時候更多是SiC的市場，所以，如果我們也有SiC的產(chǎn)能，就能將市場擴大到220億美元。在這個220億美元的市場中，我們并不介意客戶選擇SiC或GaN。”
事實上，Navitas的汽車設(shè)計工程師非常開心收購GenSiC的舉措，Oliver補充道：“現(xiàn)在他們不必再過度推動GaN設(shè)計了。”
GaN和SiC都是新技術(shù)，而且正迅速帶來多樣化應(yīng)用和設(shè)計創(chuàng)新。正如Witham所說的，GaN和SiC器件正在形成特定市場，而在這些WBG技術(shù)之間也存在著部分的市場重疊。