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