寬禁帶半導體前景樂觀

對電子設備的需求激增正在推動半導體行業(yè)多個領域的增長。制造商通過使用非傳統(tǒng)產品和應用程序添加差異化服務來尋求競爭優(yōu)勢。這一趨勢的受益者是寬帶隙 （WBG） 半導體，由于一系列應用程序供應商的興趣激增，它經歷了更新。

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

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

下載我們的 GaN 和 SiC 技術電子書

WBG 半導體市場增長的重要影響因素包括對提高能源效率的需求不斷增長以及對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 談到了寬帶隙半導體背后的技術、市場前景和機遇。以下是討論的摘錄：

EE TIMES：您認為 WBG 市場將走向何方？

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。該預測來自市場各個細分市場的以下亮點：-

個人電腦/便攜式市場：GaN 已經進入 AC/DC 領域，2019 年底大量 GaN 適配器進入市場，并在 2020 年量產。大多數(shù) AC/DC、手機、平板電腦和筆記本電腦將繼續(xù)使用硅，因為電壓低于 30V。硅仍然在這個領域占據主導地位，并將持續(xù)一段時間。除了適配器中偶爾出現(xiàn)的 SiC 二極管之外，SiC 還沒有進入這個市場。

服務器市場：在 AC/DC 方面，功率密度正在推動 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入市場，但氮化鎵現(xiàn)在開始在服務器開關電源中占據主導地位。由于服務器電源正在向 48V 遷移，因此 100V GaN 與低電壓硅相結合開始上升。到 2024 年，幾乎每臺服務器都將在 AC/DC 側由 WBG 主導，并且在 48V AC/DC 側將含有大量 GaN。

電機驅動器——工業(yè)：盡管電壓很高，硅仍然主導著大多數(shù)電機驅動器。然而，GaN 和 SiC 都在以高效變頻驅動以及有源前端 （AFE） 的形式進入電機驅動系統(tǒng)。這個市場非常保守，適應新技術的速度會很慢，但到 2025 年，該市場的 10% 到 15% 將發(fā)生轉變。隨著 WBG 產品的可靠性和成本滿足市場需求，轉換步伐將加快。

消費電子（電視、電器、音頻）：高度成本敏感的市場，提供廣泛的產品，這些市場的高端版本已經開始根據價格和產品供應轉向 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） 將轉變?yōu)槭澜玢y行集團。

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

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

高可靠性/軍用：由于市場價值、性能、尺寸和重量的減少，這曾經是，現(xiàn)在仍然是 GaN 和 SiC 最快的擁護者之一。它也值得市場，因為它證明了 WBG 與其他產品相比的可靠性。

太陽能/儲能：這個市場對采用新技術非常敏感且非常謹慎，但在過去五 （5） 年中，WBG 產品已經慢慢滲透到市場。對于太陽能裝置，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入這個市場：

能量存儲系統(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。

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

最后是汽車市場。展望未來，這將是 WBG 產品的最大市場，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。在電動汽車 （EV） 市場中，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 轉換：將 400V 或 800V EV 電池轉換為 12V 或 48V 是每輛車的一項功能。它還需要小尺寸的重量并將使用 WBG。

牽引逆變器：硅 IGBT 在 2020 年主導市場，但大多數(shù)牽引公司已經開發(fā)出基于 SiC 的牽引逆變器。隨著大電流 GaN 開關的可用性和高可靠性，大多數(shù)已經建立了基于 GaN 的牽引逆變器。到 2025 年，高端電動汽車市場將采用 WBG 設備，到 2030 年大部分將被轉換。

EE TIMES：你認為誰或什么是主導力量？（如市場、技術趨勢、公司）

主導決策的市場力量將決定采用率和設計。在電力電子領域，以下市場力量促使主導公司和趨勢出現(xiàn)：-

WBG 最初以 SiC 二極管的形式采用，以提高開關電源的效率。SiC二極管的早期進入存在一些質量問題，因此我們認為WBG器件的整體主導力量是成本和可靠性。推動銷量增長的市場是電動汽車 （EV） 市場以及對續(xù)航里程更長的電動汽車和電池成本更低的需求。

成本：電力電子博覽會，在整個 21 世紀的頭幾十年都受到價格的限制。所以，當WBG產品高價進入市場時，市場反應遲緩。主要關注采用 WBG 改變了這一點。來自 SiC 和 GaN 公司的 WBG 器件現(xiàn)在已經到了第 4 代或第 5 代，在某些領域價格已經接近甚至超過了硅價格，因此采用率正在上升。

例如，基于硅的 GaN 最終具有與硅超結 MOSFET 一樣低或更低的潛在成本，例如，因為步驟數(shù)量很少，所以速率由外延生長時間決定。

SiC 建立在 SiC 晶片上，并且比 GaN 成熟了幾年，正在達到成本的平坦曲線，預計未來幾年的總成本將高于硅和 GaN。

可靠性：這種市場力量被認為是好的，因為 30 年來，硅器件已被證明是非常可靠的。然而，隨著 WBG 的進入，以及電動汽車等新市場的進入，可靠性已成為 WBG 采用的主導因素?？煽啃酝ㄟ^時間故障數(shù) （FIT） 或每十億小時的故障數(shù)來衡量。例如，優(yōu)質硅器件需要 《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。

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

EE TIMES：在您看來，該行業(yè)如何解決高成本、數(shù)量有限和供應鏈受限等十年之久的問題？

無論技術如何，所有客戶都關心成本和供應鏈。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，這在質量和數(shù)量上都很難遇到。有幾家供應商，領先的供應商是 Cree，后者供應更大的公司，如 ST、ON、英飛凌及其自己的部門 Wolfspeed。在這一點上，一旦電動汽車市場開始，業(yè)界最大的擔憂之一是 SiC 的可用性。Cree 宣布在 2019 年進行 10 億美元的產能擴張，但考慮到功率分立市場約為 180 億美元，這意味著供應有限。

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

SiC 和 GaN 的供應商都有不同的技術，因此在大多數(shù)情況下，沒有多個來源。因此，客戶正在系統(tǒng)級別接觸各種來源。例如，在服務器電源中，一張數(shù)據卡可以與多個供應商的產品一起開發(fā)，兩者都可以合格。其他供應商，例如 GaN Systems，已簽訂多源協(xié)議（與羅姆半導體），以減輕客戶的擔憂。

關于成本，所有 WBG 開發(fā)人員都承受了第 3、4 和 5 代以減小尺寸和價格標簽。盡管 SiC 和 GaN 在 2020 年已經達到了不同程度的采用點，但它們的總市場份額仍然很低。他們都認為 到 2025 年的復合年增長率 （CAGR） 接近 30%，因為成本已經下降，而且正如行業(yè)所證明的那樣，WBG 產品的額外成本會帶來價值。