碳化硅与氮化镓的未来将怎样共存？
氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 半导体现已量产并迅速扩大市场份额。 据市场研究公司 Yole 称，到 2027 年底，GaN 和 SiC 器件将占据功率半导体市场的 30%，取代硅 MOSFET 和 IGBT。 这是一个巨大的提升，需要更清楚地了解这些宽带隙 (WBG) 同类产品在基础设计技术、制造实践和目标应用方面的地位。
Navitas Semiconductor 企业营销副总裁 Stephen Oliver 承认，如今主流的三代半导体是 SiC，它在生产上领先 GaN 十年甚至更长时间。“这意味着电源设计工程师更熟悉它，”他说。“此外，它更像是一个标准组件，这意味着你可以随时用一个替换另一个。”
Oliver 补充说，大多数 SiC 器件都采用三引脚封装，这使得它们非常适合高功率、高电压应用。 因此，它们被广泛用于风力涡轮机、太阳能逆变器、铁路机车以及卡车和公共汽车。 另一方面，对于 GaN 半导体，他认为 650V和700V 器件可满足从 20W 手机充电器到 20kW 电源应用的任何需求。“除此之外，SiC 是正确的选择。”
图 1：基于 GaN 的 Dell Alienware 240W充电器的尺寸几乎与旧的 90W 充电器相同，相同体积的功率增加了 2.7 倍。 资料来源：GaN Systems
SiC 和 GaN 的最佳甜蜜点
GaN Systems 首席执行官 Jim Witham 也将 SiC 和 GaN 世界归类为分别适用于高功率、高压和中功率、中压应用。 “GaN 半导体通常跨越 50 V 至 900 V，而 SiC 器件服务于 1,000 V 以上的应用。” 他还指出，硅仍然是低功耗、低电压应用的可行选择，适用于低于 40 V 至 50 V 的电源设计。
在解释每种半导体技术与需求相匹配的领域时，Witham 表示，在功率水平方面，硅适用于 20 W 及以下的应用，GaN 适用于 20 W 至 100 kW，SiC 适用于 100 kW 至 300 kW 及以上。 “硅、GaN 和 SiC 分别有甜蜜点，但在边缘存在一些竞争。”
他还认为 SiC 在服务于汽车——尤其是电动汽车 (EV) 的牵引逆变器——以及高能电网以及风能和太阳能方面表现突出。 他补充说，对于 GaN 晶体管，手机和笔记本电脑的移动充电器已经出现，而数据中心电源才刚刚起步。 对于未来，Witham 认为 GaN 半导体将在车载充电器 (OBC) 和电动汽车 DC-DC 转换器等汽车领域大放异彩。
图 2：基于 GaN 的 DC-DC 转换器在电动和混合动力汽车中越来越受欢迎，用于桥接高压电池组与低压辅助电路。 资料来源：GaN Systems
在拉斯维加斯举行的 CES 2023 上，GaN Systems 在 Canoo 的 7.2 kW OBC 中展示了 GaN，Canoo 是一家为沃尔玛和美国陆军提供车辆的电动汽车公司。这家总部位于加拿大渥太华的 GaN 半导体解决方案供应商还展示了 Vitesco 的基于 GaN 的 DC-DC 转换器，该转换器在 800 V 电池总线架构中运行。它获取电池电压并将其更改为适合低压辅助电路（如挡风玻璃刮水器和门锁）的电压。
制造的对比
在晶圆制造方面，我们在 SiC 方面看到了很多活动。 以 Wolfspeed 为例，该公司在纽约和德国分别兴建新的200毫米 SiC 工厂。 Oliver 表示，此类 SiC 玩家希望掌握自己的命运。 “如果回溯四年前，Wolfspeed还是Cree，是唯一一家生产 SiC 晶圆的公司，仅晶圆就需要 3,000美元每片。”他说。 “今天，我们估计有 8 家合格的 SiC 晶圆供应商，价格已经下降到 1000 美元左右。”
Oliver 预计再过四年价格可能会达到 400 美元。 “因此，碳化硅晶圆将成为一种商品，一旦成为商品，制造业将不再是强项，”他补充道。 “换句话说，供应流程的垂直整合不会成为强项，强项在于芯片的设计。”
另一方面，Oliver 指出，虽然 GaN 是一种先进材料，但您可以对 GaN 半导体使用旧工艺。 “因此，虽然硅设计师正在谈论 12 纳米和更小的制造节点，但我们正在使用 500 nm加工设备来制造 GaN 器件。”对于 GaN 半导体，Navitas 使用台积电的 2 号工厂，这是他们仍在运营的最古老的工厂。“它使用的设备在财务上完全减记，但它仍然提供非常高的质量和良好的容量。”Oliver说。
图 3：GaN 制造可以改造旧工厂，因此 GaN 供应商无需花费数十亿美元建造新工厂。 资料来源：Navitas
“GaN 的好处在于您无需花费数十亿美元建造新的晶圆厂并可以改造旧的晶圆厂。”他补充道。 “我们估计美国有 40 家旧晶圆厂生产旧硅，这些旧硅可以改造为 GaN 或 SiC 半导体。” 因此，GaN 和 SiC 制造都有很大的产能潜力。
Witham 关于 GaN 制造的观点与 Oliver 的立场一致。 Witham 表示，虽然晶圆产能对于 SiC 器件来说可能是个问题，但对于 GaN 半导体来说这不是问题，增加产能需要花费数百万美元。“如果你去中国、台湾和韩国，你会看到工厂有价值数百万美元的机器来制造 GaN 器件。”他说。“有了这些小型货车大小的机器，我们只需要几百万美元就可以增加产能，尽管人们通常不会谈论它。”
GaN与SiC的较量
2022 年夏天，Navitas 收购了 SiC 开发商 GenSic，这笔交易背后有一个有趣的理由。 根据 Oliver 的说法，GaN 器件有 130 亿美元的市场，但有40到50亿的市场（快充）是竞争激烈的市场。 “有时是 GaN，有时是 SiC，所以如果我们也需要布局 SiC，它会将市场扩大到 220 亿美元。”他说。“我们不介意客户在这个 220 亿美元的市场中选择其中之一。”
事实上，收购 GenSic 后，Navitas 的汽车设计工程师非常高兴，Oliver 补充道。 “现在他们不必将 GaN 设计推得太远。”
GaN 和 SiC 都是新技术，它们在应用和设计创新方面都在迅速多样化。 正如 Witham 所说，GaN 和 SiC 器件正在形成特定市场，这些宽禁带技术之间存在一些市场重叠。
