SiC vs GaN：寬能隙半導體的不同世界
作者 : Majeed Ahmad，EDN主編
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元件正在形成特定市場，同時，在這些WBG技術之間也存在著部份的市場重疊...
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，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，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。（資料來源：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100kW，SiC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，可用於橋接高壓電池組與低壓輔助電路。（資料來源：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，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。（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座還在生產舊晶片的舊廠，它可以重新改造為生產GaN或SiC半導體的產線。」因此，針對GaN和SiC製造方面都還能有許多產能。
Witham關於GaN製造的觀點與Oliver的立場不謀而合。Witham表示，雖然晶圓產能對於SiC來說可能會是個問題，但對於GaN半導體來說並不成問題，因為它大約需要花費數百萬美元即可增加產能。他說：「如果你去中國、台灣和韓國，就會看到工廠採用價值數百萬美元的機器來製造GaN元件。採用這些大小如同小貨車般的機器，我們只需要幾百萬美元就可以增加產能了，但業界並不常談到這一點。」
GaN與SiC相互較勁？
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指出，GaN元件可望帶來130億美元的市場，而在前面的40-50億美元市場之間存在著競爭。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的產能，就能將市場擴大到220億美元。在這個220億美元的市場中，我們並不介意客戶選擇SiC或GaN。」
事實上，Navitas的汽車設計工程師非常開心收購GenSiC之舉措，Oliver補充道：「他們現在可以為某些高功率應用使用更合適的解決方案了。」
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元件正在形成特定市場，而在這些WBG技術之間也存在著部份的市場重疊。
編譯：Susan Hong
(參考原文：The diverging worlds of SiC and GaN semiconductors，by Majeed Ahmad)
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