SiC vs GaN:寬能隙半導體的不同世界

2023-02-03
作者 Majeed Ahmad,EDN主編

GaN和SiC都是新技術,而且正迅速帶來多樣化應用和設計創新。GaN和SiC元件正在形成特定市場,同時,在這些WBG技術之間也存在著部份的市場重疊...

氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)半導體現已量產,並迅速擴張其市佔率。據市場研究公司Yole稱,到2027年底,GaN和SiC元件將佔功率半導體市場的30%,並進而取代矽MOSFET和IGBT。這是相當巨大的進展,因而有必要更清楚地了解這些寬能隙(WBG)一類的功率產品在其基礎設計技術、製造實務和目標應用方面的不同發展。

納微半導體(Navitas Semiconductor)企業行銷副總裁Stephen Oliver坦言,如今這一領域主要都是SiC,畢竟它在產量方面領先GaN大約十年或甚至更長旳時間。「這意味著電源設計工程師將會對它更加熟悉。此外,它更多是單獨的元件,這意味著你可以用其中的一種元件來取代另一種元件。」

Oliver補充說,大多數SiC元件採用三接腳的封裝,這使其極其適合高功率、高電壓的應用。因此,SiC元件被廣泛用於風力渦輪機、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,對於GaN半導體,他認為650V和700V元件能夠滿足從20W手機充電器到20kW電源應用的任何需求。「除此之外,SiC是更合適的選擇。」

 

圖1:基於GaN的Dell Alienware 240W充電器尺寸幾乎相當於舊款的90W充電器,但在其相同的體積增加了更多2.7倍的功率。

(來源:GaN Systems)

 

SiC和GaN的最佳應用

GaN Systems執行長Jim Witham也歸類SiC和GaN領域為分別適用於高功率、高壓以及中功率、中壓的應用。「GaN半導體通常跨50V至900V電壓範圍,而SiC元件則用於1,000V以上的應用。」他還指出,矽(Si)仍然是低功耗、低電壓應用的可行選擇,適合低於40V至50V的電源設計。

在解釋每種半導體技術與需求相互匹配的領域時,Witham表示,以功率級來看,矽適於20W及以下的應用,GaN適用於20W至100kW,SiC則適用於100kW至300kW及以上應用。「矽、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。」

他還認為SiC在服務於汽車——尤其是電動車(EV)的牽引逆變器——以及高能量電網與風能、太陽能等應用時表現亮眼。他補充說,對於GaN電晶體、手機和筆記型電腦的行動充電器已經出現,而資料中心電源才剛剛起步。至於未來,Witham認為GaN半導體將在車載充電器(OBC)和電動車DC-DC轉換器等汽車領域大放異彩。

 

圖2:基於GaN的DC-DC轉換器在電動車和混合動力車越來越受歡迎,可用於橋接高壓電池組與低壓輔助電路。

(來源:GaN Systems)

 

在日前於美國拉斯維加斯(Las Vegas)舉行的CES 2023上,總部位於加拿大渥太華的GaN半導體解決方案供應商GaNSystems展示了與Canoo聯手打造的7.2kW OBC。Canoo是一家為Walmart和美國陸軍(US. Army)提供車輛的電動車公司。GaN Systems並與Vitesco合作展示可在800V電池匯流排架構中運行的GaN-based DC-DC轉換器,它。它可擷取電池電壓並將其更改為適合低壓輔助電路(如汽車擋風玻璃雨刷和門鎖)的電壓。

製造產能比一比

以晶圓製造來看,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(Marcy, New York)建造200mm SiC新廠。Oliver表示,這些SiC業者們希望掌握自己的命運。「如果回到四年前來看,Wolfspeed,然後是Cree,是唯一生產SiC晶圓的公司,當時僅晶圓就需要3,000美元,而今,市面上大約已有8家合格的SiC晶圓供應商了,價格也已降低到1,000美元左右。」

Oliver預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,製造上將不再是優勢。換句話說,供應過程的垂直整合將無法作為優勢,因為重點在於晶片的設計。」

另一方面,Oliver指出,雖然GaN是一種先進材料,但GaN半導體可以使用舊製程。因此,Oliver說:「儘管晶片設計師已在談論12nm以及更先進的製造節點,但我們仍然在使用500nm製程設備來製造GaN元件。」對於GaN半導體,Navitas採用台積電(TSMC)的2廠,這是台積電仍在營運中的最古老晶圓廠。「它使用的設備已經完全攤銷其帳面價值了,但仍然提供非常高的品質和良好的產能。」

 

圖3:針對GaN的製造可以改造舊有的晶圓廠,因此GaN供應商無需花費數十億美元建造新晶圓廠。

(來源:Navitas Semiconductor)

 

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