广告

SiC vs GaN:宽禁带半导体的不同世界

2023-01-31 15:07:00 Majeed Ahmad 阅读:
GaN和SiC都是新技术,而且正迅速带来多样化应用和设计创新。GaN和SiC器件正在形成特定市场,同时,在这些WBG技术之间也存在着部分的市场重叠...

氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)半导体现已量产,并迅速扩大其市场份额。据市场研究公司Yole称,到2027年底,GaN和SiC器件将占功率半导体市场的30%,并进而取代硅MOSFET和IGBT。这是相当巨大的提升,因而有必要更清楚地了解这些宽禁带(WBG)一类的功率产品在其基础设计技术、制造实践和目标应用方面的不同发展。49Bednc

纳微半导体(Navitas Semiconductor)企业营销副总裁Stephen Oliver坦言,如今这一领域主要都是SiC,毕竟它在产量方面领先GaN大约十年或甚至更长旳时间。“这意味着电源设计工程师将会对它更加熟悉。此外,它更多是单独的组件,这意味着你可以用其中的一种组件来取代另一种组件。”49Bednc

Oliver补充说,大多数SiC器件采用三引脚的封装,这使其极其适合高功率、高电压的应用。因此,SiC器件被广泛用于风力涡轮机、太阳能逆变器、铁路机车(火车头)以及卡车和公共汽车等。另一方面,对于GaN半导体,他认为650V和700V器件能够满足从20W手机充电器到20kW电源应用的任何需求。“除此之外,SiC是更合适的选择。”49Bednc

49Bednc

图1:GaN基的Dell Alienware 240W充电器尺寸几乎相当于旧款的90W充电器,但在其相同的体积下增加了2.7倍的功率。(资料来源:GaN Systems)49Bednc

SiC和GaN的最佳应用

GaN Systems的首席执行官Jim Witham也将SiC和GaN领域归类为分别适用于高功率、高压以及中功率、中压的应用。“GaN半导体通常跨50V至900V电压范围,而SiC器件则用于1,000V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,适合低于40V至50V的电源设计。49Bednc

在解释每种半导体技术与需求相互匹配的领域时,Witham表示,以功率水平来看,硅适于20W及以下的应用,GaN适用于20W至100kW,SiC则适用于100kW至300kW及以上应用。“硅、GaN和SiC分别有其甜蜜点,但在其交界边缘也存在一些重叠与竞争。”49Bednc

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——以及高能电网与风能、太阳能等应用时表现亮眼。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。至于未来,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。49Bednc

49Bednc

图2:GaN基的DC-DC转换器在电动汽车和混合动力汽车越来越受欢迎,可用于桥接高压电池组与低压辅助电路。(资料来源:GaN Systems)49Bednc

在日前于美国拉斯维加斯(Las Vegas)举行的CES 2023上,总部位于加拿大渥太华的GaN半导体解决方案供应商GaN Systems展示了与Canoo联手打造的7.2kW OBC(Canoo是一家为沃尔玛和美国陆军提供车辆的电动汽车公司)。同时GaN Systems还与Vitesco合作展示了可在800V电池总线架构中运行的GaN基DC-DC转换器,它可获取电池电压并将其更改为适合低压辅助电路(如汽车挡风玻璃雨刷和门锁)的电压。49Bednc

制造产能对比

以晶圆制造来看,我们看到在SiC方面有着许多的活动。以Wolfspeed为例,该公司斥资近100亿美元在纽约马西新建200mm SiC工厂。Oliver表示,这些SiC从业者希望掌握自己的命运。“如果回到四年前来看,Wolfspeed,然后是Cree,是唯一生产SiC晶圆的公司,当时仅晶圆就需要3,000美元,而今,市面上大约已有8家合格的SiC晶圆供应商了,价格也已降低到1,000美元左右。”49Bednc

Oliver预计再过四年价格可能降到400美元。他补充道:“因此,SiC晶圆将会商品化,一旦成为商品,制造将不再是优势。换句话说,供应过程的垂直整合将无法作为优势,因为重点在于芯片的设计。”49Bednc

另一方面,Oliver指出,虽然GaN是一种先进材料,但GaN半导体可以使用旧制程。因此,Oliver说:“尽管芯片设计师已在谈论12nm以及更先进的制造节点,但我们仍然在使用500nm制程设备来制造GaN器件。”对于GaN半导体,Navitas采用台积电的2号工厂,这是台积电仍在运营中的最古老晶圆厂。“它使用的设备已经完全摊销其账面价值了,但仍然提供非常高的质量和良好的产能。”49Bednc

49Bednc

图3:针对GaN的制造可以改造旧有的晶圆厂,因此GaN供应商无需花费数十亿美元建造新晶圆厂。(资料来源:Navitas Semiconductor)49Bednc

他补充道:“GaN的好处是你不需要花费数十亿美元建造新晶圆厂,而是可以改造旧有的晶圆厂。我们估计美国有40座还在生产旧芯片的旧厂,它可以重新改造为生产GaN或SiC半导体的产线。”因此,针对GaN和SiC制造方面都还能有许多产能。49Bednc

Witham关于GaN制造的观点与Oliver的立场不谋而合。Witham表示,虽然晶圆产能对于SiC来说可能会是个问题,但对于GaN半导体来说并不成问题,因为它大约需要花费数百万美元即可增加产能。他说:“如果你去中国、台湾和韩国,就会看到工厂采用价值数百万美元的机器来制造GaN器件。采用这些大小如同小货车般的机器,我们只需要几百万美元就可以增加产能了,但业内并不常谈到这一点。”49Bednc

GaN与SiC的较量

2022年夏天,Navitas收购了SiC开发商GenSic,在这笔交易背后有一个有趣的理由。根据Oliver的说法,GaN器件可望带来130亿美元的市场,而在前面的40-50亿美元市场之间存在着竞争。他说:“有时候是GaN,有时候更多是SiC的市场,所以,如果我们也有SiC的产能,就能将市场扩大到220亿美元。在这个220亿美元的市场中,我们并不介意客户选择SiC或GaN。”49Bednc

事实上,Navitas的汽车设计工程师非常开心收购GenSiC的举措。49Bednc

GaN和SiC都是新技术,而且正迅速带来多样化应用和设计创新。正如Witham所说的,GaN和SiC器件正在形成特定市场,而在这些WBG技术之间也存在着部分的市场重叠。49Bednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:The diverging worlds of SiC and GaN semiconductors,由Susan Hong编译。)49Bednc

责编:Ricardo
本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 向宽禁带演进:您能跟上宽禁带测试要求的步伐吗? 碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的新一代宽禁带(WBG)材料的使用度正变得越来越高。在电气方面,这些物质比硅和其他典型半导体材料更接近绝缘体。
  • 室温超导重大突破发现者回应:多次重复实验,有信心过审 当地时间3月7日,纽约罗彻斯特大学的Ranga Dias及其团队在拉斯维加斯举行的美国物理学会会议上宣布:在室温超导领域取得重大突破。
  • Wolfspeed 宣布计划在德国萨尔州建造全球最大、最先 Wolfspeed于今日宣布计划将在德国萨尔州建造一座高度自动化、采用前沿技术的 200mm 晶圆制造工厂。
  • GaN设计诀窍:智能拓扑、布局与热管理 GaN技术距离其理论性能极限还有30倍的差距,因此仍有空间开发更好的GaN芯片。为了充分利用晶体管,设计工程师必须专注于智能拓扑、布局和热管理,而不是使用GaN的原始功率...
  • 泰克2023新年展望:引领数智化未来,助力本土化创新加速腾 在经历三年疫情的起起落落之后,我们将迎来蓄势待发的2023。在这个充满紧迫感、复杂性、易变性的时代,我们跟客户与合作伙伴要比以往任何时候,都要更加密切、更加无障碍地支持创新。
  • 天马首发折叠屏光学指纹方案,还支持全屏识别 近日,天马微电子官方发布消息,宣布成功在行业内首发了一种折叠屏屏下光学指纹识别解决方案。
  • 电化学腐蚀制备新技术发表,“一步到位”制作电池电极 据了解,天津大学“英才计划”特聘研究员吉科猛团队联合湖南大学谭勇文教授团队利用钴磷合金研发出了仅用一步即可制成电池电极的电化学腐蚀制备技术,该相关研究成果将于近日发表在国际期刊《先进材料》上。
  • 能量收集技术开启医疗应用新局 无论是用于治疗疾病、加速愈合过程或是协助医生追踪病人的状态,可穿戴和可植入医疗设备变得越来越普遍了。如果可以通过能量收集的方式供电,使用者不需要经历充电或更换电池的麻烦将会更有帮助……
  • 2021第三代半导体产教融合发展论坛成功举办 “2021第三代半导体产教融合发展论坛”(第七届国际第三代半导体论坛暨第十八届中国国际半导体照明论坛分论坛)于2021年12月7日在深圳会展中心隆重举行。
  • 第三代半导体热潮“带货”沉积设备需求,供应链与服务本 如何选择薄膜沉积设备、使之匹配不断发展的宽禁带半导体制造工艺需求,是横亘在众多第三代半导体厂商面前的一道难题。
  • 【当代材料电学测试】系列之三:凝聚态物理中物性测试 【当代材料电学测试课堂】系列涉及当代材料科学尖端的电运输及量子材料/超导材料测试、一维/碳纳米管材料测试、二维材料及石墨烯测试及纳米材料的应用测试。今天跟您分享第三篇,【当代材料电学测试课堂】系列之三: 凝聚态物理中物性表征测试。
  • 【当代材料电学测试课堂】系列之一:纳米测试(上) 材料性质的研究是当代材料科学的重要一环,所谓材料的性质是指对材料功能特性和效用的定量度量和描述,即材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应。源表SMU在当代材料科学研究中,起到举足轻重的作用,选择适合某类材料电性能测试的SMU,如何降低测试误差,测试中应当注意什么,这些问题都需要重点关注。泰克吉时利的品牌在全球许多学科工程师和科学家中享有盛誉,其高精度源表(SMU)、万用表、精密电源、微小信号测试以及数据采集产品,同泰克公司原有的产品线一同为当代材料科学研究提供多种测试方案。【当代材料电学测试课堂】系列涉及当代材料科学尖端的电运输及量子材料/超导材料测试、一维/碳纳米管材料测试、二维材料及石墨烯测试及纳米材料的应用测试。今天跟您分享第一篇,【当代材料电学测试课堂】系列之一: 纳米测试(上)。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了