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器件正在形成特定市場，同時，在這些WBG技術之間也存在着部分的市場重疊。
氮化镓(GaN)和碳化矽(SiC)半導體現已量産，并迅速擴大其市場份額。據市場研究公司Yole稱，到2027年底，GaN和SiC器件将占功率半導體市場的30%，并進而取代矽MOSFET和IGBT。這是相當巨大的提升，因而有必要更清楚地了解這些寬禁帶(WBG)一類的功率産品在其基礎設計技術、制造實踐和目标應用方面的不同發展。
納微半導體(Navitas Semiconductor)企業營銷副總裁Stephen Oliver坦言，如今這一領域主要都是SiC，畢竟它在産量方面領先GaN大約十年或甚至更長旳時間。“這意味着電源設計工程師将會對它更加熟悉。此外，它更多是單獨的組件，這意味着你可以用其中的一種組件來取代另一種組件。”
Oliver補充說，大多數SiC器件采用三引腳的封裝，這使其極其适合高功率、高電壓的應用。因此，SiC器件被廣泛用于風力渦輪機、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，對于GaN半導體，他認爲650V和700V器件能夠滿足從20W手機充電器到20kW電源應用的任何需求。“除此之外，SiC是更合适的選擇。”
圖1：GaN基的Dell Alienware 240W充電器尺寸幾乎相當于舊款的90W充電器，但在其相同的體積下增加了2.7倍的功率。
（資料來源：GaN Systems）
SiC和GaN的最佳應用
GaN Systems的首席執行官Jim Witham也将SiC和GaN領域歸類爲分别适用于高功率、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器件則用于1,000V以上的應用。”他還指出，矽仍然是低功耗、低電壓應用的可行選擇，适合低于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，以功率水平來看，矽适于20W及以下的應用，GaN适用于20W至100kW，SiC則适用于100kW至300kW及以上應用。“矽、GaN和SiC分别有其甜蜜點，但在其交界邊緣也存在一些重疊與競争。”
他還認爲SiC在服務于汽車——尤其是電動汽車(EV)的牽引逆變器——以及高能電網與風能、太陽能等應用時表現亮眼。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。至于未來，Witham認爲GaN半導體将在車載充電器(OBC)和電動汽車DC-DC轉換器等汽車領域大放異彩。
圖2：GaN基的DC-DC轉換器在電動汽車和混合動力汽車越來越受歡迎，可用于橋接高壓電池組與低壓輔助電路。
（資料來源：GaN Systems）
在日前于美國拉斯維加斯(Las Vegas)舉行的CES 2023上，總部位于加拿大渥太華的GaN半導體解決方案供應商GaN Systems展示了與Canoo聯手打造的7.2kW OBC(Canoo是一家爲沃爾瑪和美國陸軍提供車輛的電動汽車公司)。同時GaN Systems還與Vitesco合作展示了可在800V電池總線架構中運行的GaN基DC-DC轉換器，它可獲取電池電壓并将其更改爲适合低壓輔助電路(如汽車擋風玻璃雨刷和門鎖)的電壓。
制造産能對比
以晶圓制造來看，我們看到在SiC方面有着許多的活動。以Wolfspeed爲例，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從業者希望掌握自己的命運。“如果回到四年前來看，Wolfspeed，然後是Cree，是唯一生産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晶圓将會商品化，一旦成爲商品，制造将不再是優勢。換句話說，供應過程的垂直整合将無法作爲優勢，因爲重點在于芯片的設計。”
另一方面，Oliver指出，雖然GaN是一種先進材料，但GaN半導體可以使用舊制程。因此，Oliver說：“盡管芯片設計師已在談論12nm以及更先進的制造節點，但我們仍然在使用500nm制程設備來制造GaN器件。”對于GaN半導體，Navitas采用台積電的2号工廠，這是台積電仍在運營中的最古老晶圓廠。“它使用的設備已經完全攤銷其賬面價值了，但仍然提供非常高的質量和良好的産能。”
圖3：針對GaN的制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。
（資料來源：Navitas Semiconductor）
他補充道：“GaN的好處是你不需要花費數十億美元建造新晶圓廠，而是可以改造舊有的晶圓廠。我們估計美國有40座還在生産舊芯片的舊廠，它可以重新改造爲生産GaN或SiC半導體的産線。”因此，針對GaN和SiC制造方面都還能有許多産能。
Witham關于GaN制造的觀點與Oliver的立場不謀而合。Witham表示，雖然晶圓産能對于SiC來說可能會是個問題，但對于GaN半導體來說并不成問題，因爲它大約需要花費數百萬美元即可增加産能。他說：“如果你去中國、台灣和韓國，就會看到工廠采用價值數百萬美元的機器來制造GaN器件。采用這些大小如同小貨車般的機器，我們隻需要幾百萬美元就可以增加産能了，但業内并不常談到這一點。”
GaN與SiC的較量
2022年夏天，Navitas收購了SiC開發商GenSic，在這筆交易背後有一個有趣的理由。根據Oliver的說法，GaN器件可望帶來130億美元的市場，而在前面的40-50億美元市場之間存在着競争。他說：“有時候是GaN，有時候更多是SiC的市場，所以，如果我們也有SiC的産能，就能将市場擴大到220億美元。在這個220億美元的市場中，我們并不介意客戶選擇SiC或GaN。”
事實上，Navitas的汽車設計工程師非常開心收購GenSiC的舉措，Oliver補充道：“現在他們不必再過度推動GaN設計了。”
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。正如Witham所說的，GaN和SiC器件正在形成特定市場，而在這些WBG技術之間也存在着部分的市場重疊。
