寬禁帶半導(dǎo)體前景樂觀

對(duì)電子設(shè)備的需求激增正在推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)多個(gè)領(lǐng)域的增長。制造商通過使用非傳統(tǒng)產(chǎn)品和應(yīng)用程序添加差異化服務(wù)來尋求競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。這一趨勢(shì)的受益者是寬帶隙 （WBG） 半導(dǎo)體，由于一系列應(yīng)用程序供應(yīng)商的興趣激增，它經(jīng)歷了更新。

與硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體相比，WBG 半導(dǎo)體是具有相對(duì)較寬帶寬間隙的材料。WBG 使設(shè)備能夠在高電壓、溫度和頻率下工作，主要用于延長電子設(shè)備的電池壽命。

在電力電子領(lǐng)域，氮化鎵 （GaN） 和碳化硅 （SiC） 寬帶隙半導(dǎo)體被用作在高溫和高功率領(lǐng)域減緩硅的解決方案。

下載我們的 GaN 和 SiC 技術(shù)電子書

WBG 半導(dǎo)體市場(chǎng)增長的重要影響因素包括對(duì)提高能源效率的需求不斷增長以及對(duì)長壽命電池的需求增加。

GaN Systems 銷售和營銷副總裁 Larry Spaziani 在接受EE TIMES采訪時(shí) 談到了寬帶隙半導(dǎo)體背后的技術(shù)、市場(chǎng)前景和機(jī)遇。以下是討論的摘錄：

EE TIMES：您認(rèn)為 WBG 市場(chǎng)將走向何方？

最好的即興回答無處不在，但這并不是 100% 正確。然而，它幾乎無處不在，這是事實(shí)。該預(yù)測(cè)來自市場(chǎng)各個(gè)細(xì)分市場(chǎng)的以下亮點(diǎn)：-

個(gè)人電腦/便攜式市場(chǎng)：GaN 已經(jīng)進(jìn)入 AC/DC 領(lǐng)域，2019 年底大量 GaN 適配器進(jìn)入市場(chǎng)，并在 2020 年量產(chǎn)。大多數(shù) AC/DC、手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦將繼續(xù)使用硅，因?yàn)殡妷旱陀?30V。硅仍然在這個(gè)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，并將持續(xù)一段時(shí)間。除了適配器中偶爾出現(xiàn)的 SiC 二極管之外，SiC 還沒有進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)。

服務(wù)器市場(chǎng)：在 AC/DC 方面，功率密度正在推動(dòng) 100W/in3 和 99% 的效率，因此需要 WBG。碳化硅首先以碳化硅二極管進(jìn)入市場(chǎng)，但氮化鎵現(xiàn)在開始在服務(wù)器開關(guān)電源中占據(jù)主導(dǎo)地位。由于服務(wù)器電源正在向 48V 遷移，因此 100V GaN 與低電壓硅相結(jié)合開始上升。到 2024 年，幾乎每臺(tái)服務(wù)器都將在 AC/DC 側(cè)由 WBG 主導(dǎo)，并且在 48V AC/DC 側(cè)將含有大量 GaN。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器——工業(yè)：盡管電壓很高，硅仍然主導(dǎo)著大多數(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。然而，GaN 和 SiC 都在以高效變頻驅(qū)動(dòng)以及有源前端 （AFE） 的形式進(jìn)入電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這個(gè)市場(chǎng)非常保守，適應(yīng)新技術(shù)的速度會(huì)很慢，但到 2025 年，該市場(chǎng)的 10% 到 15% 將發(fā)生轉(zhuǎn)變。隨著 WBG 產(chǎn)品的可靠性和成本滿足市場(chǎng)需求，轉(zhuǎn)換步伐將加快。

消費(fèi)電子（電視、電器、音頻）：高度成本敏感的市場(chǎng)，提供廣泛的產(chǎn)品，這些市場(chǎng)的高端版本已經(jīng)開始根據(jù)價(jià)格和產(chǎn)品供應(yīng)轉(zhuǎn)向 WBG，主要是 GaN。到 2020 年中期或后期，該部門的這一部分的百分之五十 （50） 將轉(zhuǎn)變?yōu)槭澜玢y行集團(tuán)。

在電視中，可以將甚高頻 AC/DC 電源做得超薄。它為高端市場(chǎng)提供了非常纖薄的電視。2019-2020年，大部分高端音頻系統(tǒng)也轉(zhuǎn)向GaN，隨著價(jià)格的降低，低端消費(fèi)音頻也將擁抱它。

在電器中，全球效率要求和需求迫使高端壓縮機(jī)電機(jī)和功率因數(shù)校正電路采用 GaN 和 SiC。再次，隨著價(jià)格的下降，中低端產(chǎn)品將進(jìn)行調(diào)整。

高可靠性/軍用：由于市場(chǎng)價(jià)值、性能、尺寸和重量的減少，這曾經(jīng)是，現(xiàn)在仍然是 GaN 和 SiC 最快的擁護(hù)者之一。它也值得市場(chǎng)，因?yàn)樗C明了 WBG 與其他產(chǎn)品相比的可靠性。

太陽能/儲(chǔ)能：這個(gè)市場(chǎng)對(duì)采用新技術(shù)非常敏感且非常謹(jǐn)慎，但在過去五 （5） 年中，WBG 產(chǎn)品已經(jīng)慢慢滲透到市場(chǎng)。對(duì)于太陽能裝置，由于宇宙輻射需要全球電壓和降額，因此更高電壓的碳化硅非常重要。SiC 的宇宙輻射性能優(yōu)于 IGBT。盡管 GaN 比 SiC 更好，但 GaN 尚不具備太陽能逆變器所需的高電壓。然而，氮化鎵正以兩種方式進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)：

能量存儲(chǔ)系統(tǒng) - 日常電池充電和放電的地方。GaN 提供高效節(jié)能和更低的擁有成本。

具有多電平轉(zhuǎn)換器的太陽能逆變器——盡管更復(fù)雜，但與 SiC 相比，GaN 的高可靠性迫使客戶同時(shí)考慮兩者。

最后是汽車市場(chǎng)。展望未來，這將是 WBG 產(chǎn)品的最大市場(chǎng)，SiC 于 2018 年首先開始滲透。由于具有更高的性能和可靠性，GaN 將在 2020-21 年迅速迎頭趕上。在電動(dòng)汽車 （EV） 市場(chǎng)中，有：

車載充電：在這里，尺寸、重量和效率是考慮因素。因此，幾乎全球都采用 GaN 和 SiC。

AC/DC 轉(zhuǎn)換：將 400V 或 800V EV 電池轉(zhuǎn)換為 12V 或 48V 是每輛車的一項(xiàng)功能。它還需要小尺寸的重量并將使用 WBG。

牽引逆變器：硅 IGBT 在 2020 年主導(dǎo)市場(chǎng)，但大多數(shù)牽引公司已經(jīng)開發(fā)出基于 SiC 的牽引逆變器。隨著大電流 GaN 開關(guān)的可用性和高可靠性，大多數(shù)已經(jīng)建立了基于 GaN 的牽引逆變器。到 2025 年，高端電動(dòng)汽車市場(chǎng)將采用 WBG 設(shè)備，到 2030 年大部分將被轉(zhuǎn)換。

EE TIMES：你認(rèn)為誰或什么是主導(dǎo)力量？（如市場(chǎng)、技術(shù)趨勢(shì)、公司）

主導(dǎo)決策的市場(chǎng)力量將決定采用率和設(shè)計(jì)。在電力電子領(lǐng)域，以下市場(chǎng)力量促使主導(dǎo)公司和趨勢(shì)出現(xiàn)：-

WBG 最初以 SiC 二極管的形式采用，以提高開關(guān)電源的效率。SiC二極管的早期進(jìn)入存在一些質(zhì)量問題，因此我們認(rèn)為WBG器件的整體主導(dǎo)力量是成本和可靠性。推動(dòng)銷量增長的市場(chǎng)是電動(dòng)汽車 （EV） 市場(chǎng)以及對(duì)續(xù)航里程更長的電動(dòng)汽車和電池成本更低的需求。

成本：電力電子博覽會(huì)，在整個(gè) 21 世紀(jì)的頭幾十年都受到價(jià)格的限制。所以，當(dāng)WBG產(chǎn)品高價(jià)進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，市場(chǎng)反應(yīng)遲緩。主要關(guān)注采用 WBG 改變了這一點(diǎn)。來自 SiC 和 GaN 公司的 WBG 器件現(xiàn)在已經(jīng)到了第 4 代或第 5 代，在某些領(lǐng)域價(jià)格已經(jīng)接近甚至超過了硅價(jià)格，因此采用率正在上升。

例如，基于硅的 GaN 最終具有與硅超結(jié) MOSFET 一樣低或更低的潛在成本，例如，因?yàn)椴襟E數(shù)量很少，所以速率由外延生長時(shí)間決定。

SiC 建立在 SiC 晶片上，并且比 GaN 成熟了幾年，正在達(dá)到成本的平坦曲線，預(yù)計(jì)未來幾年的總成本將高于硅和 GaN。

可靠性：這種市場(chǎng)力量被認(rèn)為是好的，因?yàn)?30 年來，硅器件已被證明是非?？煽康?。然而，隨著 WBG 的進(jìn)入，以及電動(dòng)汽車等新市場(chǎng)的進(jìn)入，可靠性已成為 WBG 采用的主導(dǎo)因素。可靠性通過時(shí)間故障數(shù) （FIT） 或每十億小時(shí)的故障數(shù)來衡量。例如，優(yōu)質(zhì)硅器件需要 《1 的 FIT 率，許多器件的 WBG 小于 0.1，以 SiC 模塊的方式從 《0.1 FIT 到數(shù)十 （10s） 甚至數(shù)百 （100s） 不等。

我們相信市場(chǎng)的真正贏家將有合理的成本和路線圖以繼續(xù)降低價(jià)格，而且還將擁有龐大的經(jīng)過驗(yàn)證的供應(yīng)鏈，以確保客戶獲得與硅相同的訂單的可靠供應(yīng)和可靠性。

EE TIMES：在您看來，該行業(yè)如何解決高成本、數(shù)量有限和供應(yīng)鏈?zhǔn)芟薜仁曛玫膯栴}？

無論技術(shù)如何，所有客戶都關(guān)心成本和供應(yīng)鏈。在這方面，WBG和Silicon是相似的。然而，碳化硅和氮化鎵的發(fā)展存在差異。

硅在錠中生長，然后被切割成晶片，而 SiC 則在 Boules 中生長，這在質(zhì)量和數(shù)量上都很難遇到。有幾家供應(yīng)商，領(lǐng)先的供應(yīng)商是 Cree，后者供應(yīng)更大的公司，如 ST、ON、英飛凌及其自己的部門 Wolfspeed。在這一點(diǎn)上，一旦電動(dòng)汽車市場(chǎng)開始，業(yè)界最大的擔(dān)憂之一是 SiC 的可用性。Cree 宣布在 2019 年進(jìn)行 10 億美元的產(chǎn)能擴(kuò)張，但考慮到功率分立市場(chǎng)約為 180 億美元，這意味著供應(yīng)有限。

商用和汽車 GaN 是在標(biāo)準(zhǔn)硅晶片上開發(fā)的，并且大部分使用標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝。限制能力不足的是 EPI 室，在 9-12 個(gè)月的交貨時(shí)間內(nèi)，它可以縮放到任何體積。因此，GaN 沒有任何限制性的供應(yīng)鏈問題。

SiC 和 GaN 的供應(yīng)商都有不同的技術(shù)，因此在大多數(shù)情況下，沒有多個(gè)來源。因此，客戶正在系統(tǒng)級(jí)別接觸各種來源。例如，在服務(wù)器電源中，一張數(shù)據(jù)卡可以與多個(gè)供應(yīng)商的產(chǎn)品一起開發(fā)，兩者都可以合格。其他供應(yīng)商，例如 GaN Systems，已簽訂多源協(xié)議（與羅姆半導(dǎo)體），以減輕客戶的擔(dān)憂。

關(guān)于成本，所有 WBG 開發(fā)人員都承受了第 3、4 和 5 代以減小尺寸和價(jià)格標(biāo)簽。盡管 SiC 和 GaN 在 2020 年已經(jīng)達(dá)到了不同程度的采用點(diǎn)，但它們的總市場(chǎng)份額仍然很低。他們都認(rèn)為 到 2025 年的復(fù)合年增長率 （CAGR） 接近 30%，因?yàn)槌杀疽呀?jīng)下降，而且正如行業(yè)所證明的那樣，WBG 產(chǎn)品的額外成本會(huì)帶來價(jià)值。