氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 半導(dǎo)體現(xiàn)已量產(chǎn)并迅速擴(kuò)大市場份額。 據(jù)市場研究公司 Yole 稱，到 2027 年底，GaN 和 SiC 器件將占據(jù)功率半導(dǎo)體市場的 30%，取代硅 MOSFET 和 IGBT。 這是一個(gè)巨大的提升，需要更清楚地了解這些寬帶隙 (WBG) 同類產(chǎn)品在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)、制造實(shí)踐和目標(biāo)應(yīng)用方面的地位。

Navitas Semiconductor 企業(yè)營銷副總裁 Stephen Oliver 承認(rèn)，如今主流的三代半導(dǎo)體是 SiC，它在生產(chǎn)上領(lǐng)先 GaN 十年甚至更長時(shí)間?！斑@意味著電源設(shè)計(jì)工程師更熟悉它，”他說。“此外，它更像是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組件，這意味著你可以隨時(shí)用一個(gè)替換另一個(gè)。”

Oliver 補(bǔ)充說，大多數(shù) SiC 器件都采用三引腳封裝，這使得它們非常適合高功率、高電壓應(yīng)用。 因此，它們被廣泛用于風(fēng)力渦輪機(jī)、太陽能逆變器、鐵路機(jī)車以及卡車和公共汽車。 另一方面，對于 GaN 半導(dǎo)體，他認(rèn)為 650V和700V 器件可滿足從 20W 手機(jī)充電器到 20kW 電源應(yīng)用的任何需求。“除此之外，SiC 是正確的選擇?！?/span>

圖 1：基于 GaN 的 Dell Alienware 240W充電器的尺寸幾乎與舊的 90W 充電器相同，相同體積的功率增加了 2.7 倍。 資料來源：GaN Systems

SiC 和 GaN 的最佳甜蜜點(diǎn)

GaN Systems 首席執(zhí)行官 Jim Witham 也將 SiC 和 GaN 世界歸類為分別適用于高功率、高壓和中功率、中壓應(yīng)用。 “GaN 半導(dǎo)體通?？缭?50 V 至 900 V，而 SiC 器件服務(wù)于 1,000 V 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，適用于低于 40 V 至 50 V 的電源設(shè)計(jì)。

在解釋每種半導(dǎo)體技術(shù)與需求相匹配的領(lǐng)域時(shí)，Witham 表示，在功率水平方面，硅適用于 20 W 及以下的應(yīng)用，GaN 適用于 20 W 至 100 kW，SiC 適用于 100 kW 至 300 kW 及以上。 “硅、GaN 和 SiC 分別有甜蜜點(diǎn)，但在邊緣存在一些競爭?！?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
他還認(rèn)為 SiC 在服務(wù)于汽車——尤其是電動(dòng)汽車 (EV) 的牽引逆變器——以及高能電網(wǎng)以及風(fēng)能和太陽能方面表現(xiàn)突出。 他補(bǔ)充說，對于 GaN 晶體管，手機(jī)和筆記本電腦的移動(dòng)充電器已經(jīng)出現(xiàn)，而數(shù)據(jù)中心電源才剛剛起步。 對于未來，Witham 認(rèn)為 GaN 半導(dǎo)體將在車載充電器 (OBC) 和電動(dòng)汽車 DC-DC 轉(zhuǎn)換器等汽車領(lǐng)域大放異彩。

圖 2：基于 GaN 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器在電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車中越來越受歡迎，用于橋接高壓電池組與低壓輔助電路。 資料來源：GaN Systems

在拉斯維加斯舉行的 CES 2023 上，GaN Systems 在 Canoo 的 7.2 kW OBC 中展示了 GaN，Canoo 是一家為沃爾瑪和美國陸軍提供車輛的電動(dòng)汽車公司。這家總部位于加拿大渥太華的 GaN 半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商還展示了 Vitesco 的基于 GaN 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器在 800 V 電池總線架構(gòu)中運(yùn)行。它獲取電池電壓并將其更改為適合低壓輔助電路（如擋風(fēng)玻璃刮水器和門鎖）的電壓。

制造的對比

在晶圓制造方面，我們在 SiC 方面看到了很多活動(dòng)。 以 Wolfspeed 為例，該公司在紐約和德國分別興建新的200毫米 SiC 工廠。 Oliver 表示，此類 SiC 玩家希望掌握自己的命運(yùn)。 “如果回溯四年前，Wolfspeed還是Cree，是唯一一家生產(chǎn) SiC 晶圓的公司，僅晶圓就需要 3,000美元每片?！彼f。 “今天，我們估計(jì)有 8 家合格的 SiC 晶圓供應(yīng)商，價(jià)格已經(jīng)下降到 1000 美元左右?！?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
Oliver 預(yù)計(jì)再過四年價(jià)格可能會(huì)達(dá)到 400 美元。 “因此，碳化硅晶圓將成為一種商品，一旦成為商品，制造業(yè)將不再是強(qiáng)項(xiàng)，”他補(bǔ)充道。 “換句話說，供應(yīng)流程的垂直整合不會(huì)成為強(qiáng)項(xiàng)，強(qiáng)項(xiàng)在于芯片的設(shè)計(jì)?！?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
另一方面，Oliver 指出，雖然 GaN 是一種先進(jìn)材料，但您可以對 GaN 半導(dǎo)體使用舊工藝。 “因此，雖然硅設(shè)計(jì)師正在談?wù)?12 納米和更小的制造節(jié)點(diǎn)，但我們正在使用 500 nm加工設(shè)備來制造 GaN 器件。”對于 GaN 半導(dǎo)體，Navitas 使用臺(tái)積電的 2 號(hào)工廠，這是他們?nèi)栽谶\(yùn)營的最古老的工廠?！八褂玫脑O(shè)備在財(cái)務(wù)上完全減記，但它仍然提供非常高的質(zhì)量和良好的容量。”O(jiān)liver說。

圖 3：GaN 制造可以改造舊工廠，因此 GaN 供應(yīng)商無需花費(fèi)數(shù)十億美元建造新工廠。 資料來源：Navitas

“GaN 的好處在于您無需花費(fèi)數(shù)十億美元建造新的晶圓廠并可以改造舊的晶圓廠?！彼a(bǔ)充道。 “我們估計(jì)美國有 40 家舊晶圓廠生產(chǎn)舊硅，這些舊硅可以改造為 GaN 或 SiC 半導(dǎo)體?！?因此，GaN 和 SiC 制造都有很大的產(chǎn)能潛力。

Witham 關(guān)于 GaN 制造的觀點(diǎn)與 Oliver 的立場一致。 Witham 表示，雖然晶圓產(chǎn)能對于 SiC 器件來說可能是個(gè)問題，但對于 GaN 半導(dǎo)體來說這不是問題，增加產(chǎn)能需要花費(fèi)數(shù)百萬美元?！叭绻闳ブ袊?、臺(tái)灣和韓國，你會(huì)看到工廠有價(jià)值數(shù)百萬美元的機(jī)器來制造 GaN 器件?！彼f?！坝辛诉@些小型貨車大小的機(jī)器，我們只需要幾百萬美元就可以增加產(chǎn)能，盡管人們通常不會(huì)談?wù)撍??！?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
GaN與SiC的較量

2022 年夏天，Navitas 收購了 SiC 開發(fā)商 GenSic，這筆交易背后有一個(gè)有趣的理由。 根據(jù) Oliver 的說法，GaN 器件有 130 億美元的市場，但有40到50億的市場（快充）是競爭激烈的市場。 “有時(shí)是 GaN，有時(shí)是 SiC，所以如果我們也需要布局 SiC，它會(huì)將市場擴(kuò)大到 220 億美元?！彼f?！拔覀儾唤橐饪蛻粼谶@個(gè) 220 億美元的市場中選擇其中之一。”

事實(shí)上，收購 GenSic 后，Navitas 的汽車設(shè)計(jì)工程師非常高興，Oliver 補(bǔ)充道。 “現(xiàn)在他們不必將 GaN 設(shè)計(jì)推得太遠(yuǎn)?！?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
GaN 和 SiC 都是新技術(shù)，它們在應(yīng)用和設(shè)計(jì)創(chuàng)新方面都在迅速多樣化。 正如 Witham 所說，GaN 和 SiC 器件正在形成特定市場，這些寬禁帶技術(shù)之間存在一些市場重疊。