碳化硅與氮化鎵的未來將怎樣共存？

氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 半導體現已量產并迅速擴大市場份額。 據市場研究公司 Yole 稱，到 2027 年底，GaN 和 SiC 器件將占據功率半導體市場的 30%，取代硅 MOSFET 和 IGBT。 這是一個巨大的提升，需要更清楚地了解這些寬帶隙 (WBG) 同類產品在基礎設計技術、制造實踐和目標應用方面的地位。

Navitas Semiconductor 企業營銷副總裁 Stephen Oliver 承認，如今主流的三代半導體是 SiC，它在生產上領先 GaN 十年甚至更長時間。“這意味著電源設計工程師更熟悉它，”他說。“此外，它更像是一個標準組件，這意味著你可以隨時用一個替換另一個。”

Oliver 補充說，大多數 SiC 器件都采用三引腳封裝，這使得它們非常適合高功率、高電壓應用。 因此，它們被廣泛用于風力渦輪機、太陽能逆變器、鐵路機車以及卡車和公共汽車。 另一方面，對于 GaN 半導體，他認為 650V和700V 器件可滿足從 20W 手機充電器到 20kW 電源應用的任何需求。“除此之外，SiC 是正確的選擇。”

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

GaN Systems 首席執行官 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、中壓應用。 “GaN 半導體通常跨越 50 V 至 900 V，而 SiC 器件服務于 1,000 V 以上的應用。” 他還指出，硅仍然是低功耗、低電壓應用的可行選擇，適用于低于 40 V 至 50 V 的電源設計。

在解釋每種半導體技術與需求相匹配的領域時，Witham 表示，在功率水平方面，硅適用于 20 W 及以下的應用，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，但在邊緣存在一些競爭。”

他還認為 SiC 在服務于汽車——尤其是電動汽車 (EV) 的牽引逆變器——以及高能電網以及風能和太陽能方面表現突出。 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出現，而數據中心電源才剛剛起步。 對于未來，Witham 認為 GaN 半導體將在車載充電器 (OBC) 和電動汽車 DC-DC 轉換器等汽車領域大放異彩。

圖 2：基于 GaN 的 DC-DC 轉換器在電動和混合動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汽車公司。這家總部位于加拿大渥太華的 GaN 半導體解決方案供應商還展示了 Vitesco 的基于 GaN 的 DC-DC 轉換器，該轉換器在 800 V 電池總線架構中運行。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。 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。 “如果回溯四年前，Wolfspeed還是Cree，是唯一一家生產 SiC 晶圓的公司，僅晶圓就需要 3,000美元每片。”他說。 “今天，我們估計有 8 家合格的 SiC 晶圓供應商，價格已經下降到 1000 美元左右。”

Oliver 預計再過四年價格可能會達到 400 美元。 “因此，碳化硅晶圓將成為一種商品，一旦成為商品，制造業將不再是強項，”他補充道。 “換句話說，供應流程的垂直整合不會成為強項，強項在于芯片的設計。”

另一方面，Oliver 指出，雖然 GaN 是一種先進材料，但您可以對 GaN 半導體使用舊工藝。 “因此，雖然硅設計師正在談論 12 納米和更小的制造節點，但我們正在使用 500 nm加工設備來制造 GaN 器件。”對于 GaN 半導體，Navitas 使用臺積電的 2 號工廠，這是他們仍在運營的最古老的工廠。“它使用的設備在財務上完全減記，但它仍然提供非常高的質量和良好的容量。”Oliver說。

圖 3：GaN 制造可以改造舊工廠，因此 GaN 供應商無需花費數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數十億美元建造新的晶圓廠并可以改造舊的晶圓廠。”他補充道。 “我們估計美國有 40 家舊晶圓廠生產舊硅，這些舊硅可以改造為 GaN 或 SiC 半導體。” 因此，GaN 和 SiC 制造都有很大的產能潛力。

Witham 關于 GaN 制造的觀點與 Oliver 的立場一致。 Witham 表示，雖然晶圓產能對于 SiC 器件來說可能是個問題，但對于 GaN 半導體來說這不是問題，增加產能需要花費數百萬美元。“如果你去中國、臺灣和韓國，你會看到工廠有價值數百萬美元的機器來制造 GaN 器件。”他說。“有了這些小型貨車大小的機器，我們只需要幾百萬美元就可以增加產能，盡管人們通常不會談論它。”

GaN與SiC的較量

2022 年夏天，Navitas 收購了 SiC 開發商 GenSic，這筆交易背后有一個有趣的理由。 根據 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。 “有時是 GaN，有時是 SiC，所以如果我們也需要布局 SiC，它會將市場擴大到 220 億美元。”他說。“我們不介意客戶在這個 220 億美元的市場中選擇其中之一。”

事實上，收購 GenSic 后，Navitas 的汽車設計工程師非常高興，Oliver 補充道。 “現在他們不必將 GaN 設計推得太遠。”

GaN 和 SiC 都是新技術，它們在應用和設計創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，這些寬禁帶技術之間存在一些市場重疊。