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, 好唔好 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, 好唔好 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100kWSiC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, 好唔好 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, 好唔好 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)
…繼續閱讀請連結EDN Taiwan網站
The post SiC vs GaN：寬能隙半導體的不同世界 appeared first on 電子工程專輯.
