GaN和 SiC令人印象深刻的品質使它們深受業(yè)內人士的喜愛。然而，它帶來了滿足生產(chǎn)和供應需求的挑戰(zhàn)，因此專業(yè)人士、投資者和工業(yè)家正在合作以確保足夠的可用性。這是因為隨著氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 的采用，電力電子技術走上了一條非凡的道路。Yole Développement (Yole) 估計了這些寬帶隙材料的總體情況。雖然硅仍然占據(jù)市場主導地位，但 GaN 和 SiC 器件的出現(xiàn)一直在引領技術走向新的高效成果。

在技術基礎上，碳化硅技術側重于在更大直徑和功率模塊開發(fā)上提高碳化硅晶圓質量。在 GaN 領域，主要趨勢是 GaN 器件集成——系統(tǒng)級封裝或片上系統(tǒng)解決方案。

碳化硅

“在過去的幾年里，我們看到了從 4 英寸到 6 英寸的轉變。而現(xiàn)在，越來越多的設備制造商正在開發(fā)六英寸。我們理解的是，今天，高質量的六英寸晶圓仍然難以生產(chǎn)。就基板生長和準備而言，這仍然具有挑戰(zhàn)性，這將直接影響您在接下來的工藝中的良率。因此，設備制造商的想法是從頭到尾使用優(yōu)質材料，真正最大限度地提高產(chǎn)量，當然，還要節(jié)約產(chǎn)品成本”，Ezgi Dogmus博士說。Yole Développement 的技術和市場分析師。

她繼續(xù)說道，“我們看到了來自 Cree、II-VI Advanced Materials、Sicrystal 和中國玩家等領先企業(yè)的大量投資。許多參與者都參與了這一領域。“基板供應商 Cree/Wolfspeed、SiCrystal 與英飛凌科技和 ST 微電子等設備制造商簽署了多年供應協(xié)議。”

成本優(yōu)化促使許多公司開發(fā)商業(yè)模式以正確供應 SiC 襯底。

2018年至2019年期間，意法半導體、英飛凌、ON Semi等公司與Cree、SiCrystal等領先的SiC襯底供應商簽訂了多年的襯底供應協(xié)議。為了專注于大批量市場，功率 GaN 行業(yè)的主要趨勢之一是與臺積電 (TSMC)、X-Fab 或 Episil Technologies 等老牌代工廠合作。

圖 1：功率 SiC 長期演進（來源：Yole）

“我們知道 ST 與特斯拉在碳化硅主逆變器方面有合作關系，因此它代表了當今碳化硅市場的最高銷量。我們還看到英飛凌和 ON Semi 參加了比賽，因此他們也真正瞄準了工業(yè)和汽車應用，”Ezgi 說。

所有這些合作的想法是保證碳化硅襯底的供應。

“On Semi 也在開發(fā)其內部碳化硅襯底。他們還與 GTAT 就碳化硅晶體供應達成協(xié)議。為他們提供高質量，并將他們垂直整合到供應鏈中并對他們的材料進行全面控制至關重要，”Egzi 說。

她繼續(xù)說道：“我們認為，展望未來，玩家將更多地關注模塊部分，因為我們將瞄準大功率應用，例如主逆變器和充電基礎設施，以及所有這些應用。還需要大功率模塊。”

氮化鎵

消費者主導了功率GaN市場，主要受快速充電器推動。我們已經(jīng)看到了這些設備的大量集成?！皩τ谙M市場來說，這是一個明顯的技術趨勢。因此，我們有 GaN 系統(tǒng)級封裝和 GaN 片上系統(tǒng)。這些是現(xiàn)在為快速充電器提供的主要解決方案，”Ahmed Ben Slimane 博士說。Yole Développement 的技術和市場分析師。

圖 2：功率 GaN 長期演進（來源：Yole）

他繼續(xù)說道，“例如，對快速充電器的要求是功率密度和效率。因此，我們必須以這種形式壓縮系統(tǒng)并降低每功率的價格。我們已經(jīng)看到來自中國原始設備制造商 (OEM) 為 Navitas 和 Power Integrations 等供應商提供的快速充電器的大量采用?！?/p>

在處理基板時，我們有兩種：硅和藍寶石。硅在 6 英寸上保持開發(fā)，但一些玩家在 8 英寸上進行開發(fā)。Gan-on-Sapphire 是另一種正在部署的材料。

“我們仍將看到基于 GaN 的分立器件，但它更適合高功率應用，例如數(shù)據(jù)中心或基站電源，”Ahmed 說

在射頻 GaN 領域，“華為早在幾年前就已經(jīng)在其 4G LTE 基站中采用了氮化鎵功率放大器。隨著 5G 的到來，我們還必須走向 3GHz 以外的更高頻率。盡管如此，我們仍稱它們?yōu)榈陀?6 GHz。氮化鎵的潛力越來越大，因為在高頻下，與LDMOS相比，功率密度仍然非常出色，功率附加效率也隨之而來?！?添加了 Ezgi。

圖 3：功率 GaN 市場（來源：Yole）

GaN 技術的采用將在 5G sub-GHz 中具有重要意義，特別關注其在高功率基站和新型有源天線系統(tǒng)中的使用。在后一種情況下，想法是使用低功率有源天線，但更多天線需要各種功率放大器。要考慮的一個參數(shù)是電源效率。

功率效率是放大器 RF 域中的一個重要參數(shù)，因為它會告訴您它會發(fā)熱多少，在散熱方面會損失多少。

“通過用 GaN 取代硅技術，我們依靠游戲的效率來提供更快的切換。就電源本身的體積減小而言，數(shù)據(jù)中心容量增加，這對于GaN器件來說非常重要，”Ezgi說。

“對于數(shù)據(jù)中心采用氮化鎵的情況，我們現(xiàn)在看到采用速度緩慢；這是因為缺乏監(jiān)管?！?/p>

因此，政府需要對數(shù)據(jù)中心實施嚴格的指導方針，以降低能耗；艾哈邁德說，那么我們將能夠在這個應用程序中看到更高的滲透率

隨著高效率要求的提高，與硅相比，氮化鎵確實將發(fā)揮重要作用，而硅仍在履行當前的義務。全 SiC 模塊的開發(fā)活動非常顯著，特別關注封裝材料，例如芯片貼裝和基板互連。

功率模塊的封裝必須適合碳化硅器件。必須存在一種新型封裝來滿足 100% 碳化硅的要求，您可以從中受益于高溫操作、高頻開關等。

審核編輯 黃昊宇