GaN和SiC都是新技術(shù)，而且正迅速帶來(lái)多樣化應(yīng)用和設(shè)計(jì)創(chuàng)新。GaN和SiC器件正在形成特定市場(chǎng)，同時(shí)，在這些WBG技術(shù)之間也存在著部分的市場(chǎng)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(kuò)大其市場(chǎng)份額。據(jù)市場(chǎng)研究公司Yole稱(chēng)，到2027年底，GaN和SiC器件將占功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的30%，并進(jìn)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(lèi)的功率產(chǎn)品在其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)、制造實(shí)踐和目標(biāo)應(yīng)用方面的不同發(fā)展。
納微半導(dǎo)體(Navitas Semiconductor)企業(yè)營(yíng)銷(xiāo)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(zhǎng)旳時(shí)間。“這意味著電源設(shè)計(jì)工程師將會(huì)對(duì)它更加熟悉。此外，它更多是單獨(dú)的組件，這意味著你可以用其中的一種組件來(lái)取代另一種組件?！?/span>
Oliver補(bǔ)充說(shuō)，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(jī)、太陽(yáng)能逆變器、鐵路機(jī)車(chē)(火車(chē)頭)以及卡車(chē)和公共汽車(chē)等。另一方面，對(duì)于GaN半導(dǎo)體，他認(rèn)為650V和700V器件能夠滿足從20W手機(jī)充電器到20kW電源應(yīng)用的任何需求?！俺酥猓琒iC是更合適的選擇?！?/span>
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(lái)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(lèi)為分別適用于高功率、高壓以及中功率、中壓的應(yīng)用?！癎aN半導(dǎo)體通?？?0V至900V電壓范圍，而SiC器件則用于1,000V以上的應(yīng)用?！?/span>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(jì)。
在解釋每種半導(dǎo)體技術(shù)與需求相互匹配的領(lǐng)域時(shí)，Witham表示，以功率水平來(lái)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?！肮琛aN和SiC分別有其甜蜜點(diǎn)，但在其交界邊緣也存在一些重疊與競(jìng)爭(zhēng)?！?/span>
他還認(rèn)為SiC在服務(wù)于汽車(chē)——尤其是電動(dòng)汽車(chē)(EV)的牽引逆變器——以及高能電網(wǎng)與風(fēng)能、太陽(yáng)能等應(yīng)用時(shí)表現(xiàn)亮眼。他補(bǔ)充說(shuō)，對(duì)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。至于未來(lái)，Witham認(rèn)為GaN半導(dǎo)體將在車(chē)載充電器(OBC)和電動(dòng)汽車(chē)DC-DC轉(zhuǎn)換器等汽車(chē)領(lǐng)域大放異彩。
圖2：GaN基的DC-DC轉(zhuǎn)換器在電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)越來(lái)越受歡迎，可用于橋接高壓電池組與低壓輔助電路。
（資料來(lái)源：GaN Systems）
在日前于美國(guó)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(guó)陸軍提供車(chē)輛的電動(dòng)汽車(chē)公司)。同時(shí)GaN Systems還與Vitesco合作展示了可在800V電池總線架構(gòu)中運(yùn)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(chē)擋風(fēng)玻璃雨刷和門(mén)鎖)的電壓。
制造產(chǎn)能對(duì)比
以晶圓制造來(lái)看，我們看到在SiC方面有著許多的活動(dòng)。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(yùn)?！叭绻氐剿哪昵皝?lái)看，Wolfspeed，然后是Cree，是唯一生產(chǎn)SiC晶圓的公司，當(dāng)時(shí)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(jià)格也已降低到1,000美元左右。”
Oliver預(yù)計(jì)再過(guò)四年價(jià)格可能降到400美元。他補(bǔ)充道：“因此，SiC晶圓將會(huì)商品化，一旦成為商品，制造將不再是優(yōu)勢(shì)。換句話說(shuō)，供應(yīng)過(guò)程的垂直整合將無(wú)法作為優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橹攸c(diǎn)在于芯片的設(shè)計(jì)?！?/span>
另一方面，Oliver指出，雖然GaN是一種先進(jìn)材料，但GaN半導(dǎo)體可以使用舊制程。因此，Oliver說(shuō)：“盡管芯片設(shè)計(jì)師已在談?wù)?2nm以及更先進(jìn)的制造節(jié)點(diǎn)，但我們?nèi)匀辉谑褂?00nm制程設(shè)備來(lái)制造GaN器件?！睂?duì)于GaN半導(dǎo)體，Navitas采用臺(tái)積電的2號(hào)工廠，這是臺(tái)積電仍在運(yùn)營(yíng)中的最古老晶圓廠。“它使用的設(shè)備已經(jīng)完全攤銷(xiāo)其賬面價(jià)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(duì)GaN的制造可以改造舊有的晶圓廠，因此GaN供應(yīng)商無(wú)需花費(fèi)數(shù)十億美元建造新晶圓廠。
（資料來(lái)源：Navitas Semiconductor）
他補(bǔ)充道：“GaN的好處是你不需要花費(fèi)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(jì)美國(guó)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?！?/span>因此，針對(duì)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(diǎn)與Oliver的立場(chǎng)不謀而合。Witham表示，雖然晶圓產(chǎn)能對(duì)于SiC來(lái)說(shuō)可能會(huì)是個(gè)問(wèn)題，但對(duì)于GaN半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)并不成問(wèn)題，因?yàn)樗蠹s需要花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)美元即可增加產(chǎn)能。他說(shuō)：“如果你去中國(guó)、臺(tái)灣和韓國(guó)，就會(huì)看到工廠采用價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的機(jī)器來(lái)制造GaN器件。采用這些大小如同小貨車(chē)般的機(jī)器，我們只需要幾百萬(wàn)美元就可以增加產(chǎn)能了，但業(yè)內(nèi)并不常談到這一點(diǎn)?！?/span>
GaN與SiC的較量
2022年夏天，Navitas收購(gòu)了SiC開(kāi)發(fā)商GenSic，在這筆交易背后有一個(gè)有趣的理由。根據(jù)Oliver的說(shuō)法，GaN器件可望帶來(lái)130億美元的市場(chǎng)，而在前面的40-50億美元市場(chǎng)之間存在著競(jìng)爭(zhēng)。他說(shuō)：“有時(shí)候是GaN，有時(shí)候更多是SiC的市場(chǎng)，所以，如果我們也有SiC的產(chǎn)能，就能將市場(chǎng)擴(kuò)大到220億美元。在這個(gè)220億美元的市場(chǎng)中，我們并不介意客戶(hù)選擇SiC或GaN?！?/span>
事實(shí)上，Navitas的汽車(chē)設(shè)計(jì)工程師非常開(kāi)心收購(gòu)GenSiC的舉措，Oliver補(bǔ)充道：“現(xiàn)在他們不必再過(guò)度推動(dòng)GaN設(shè)計(jì)了?！?/span>
GaN和SiC都是新技術(shù)，而且正迅速帶來(lái)多樣化應(yīng)用和設(shè)計(jì)創(chuàng)新。正如Witham所說(shuō)的，GaN和SiC器件正在形成特定市場(chǎng)，而在這些WBG技術(shù)之間也存在著部分的市場(chǎng)重疊。