討論寬帶隙半導(dǎo)體背后的技術(shù)、市場前景和機遇

GaN Systems 銷售和營銷副總裁 Larry Spaziani 在接受 記者采訪時 談到了寬帶隙半導(dǎo)體背后的技術(shù)、市場前景和機遇。

記者：您認(rèn)為 WBG 市場將走向何方?

最好的即興答案無處不在，但這并不是 100% 正確。然而，它確實幾乎無處不在。該預(yù)測從市場各個細(xì)分市場的以下亮點中收集：

個人電腦/便攜式市場：隨著 GaN 適配器在 2019 年底進(jìn)入市場并在 2020 年大量涌現(xiàn)，GaN 已經(jīng)進(jìn)入 AC/DC 領(lǐng)域。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。硅仍然主導(dǎo)著這個領(lǐng)域，并將持續(xù)相當(dāng)長的一段時間。除了適配器中偶爾使用的 SiC 二極管外，SiC 尚未進(jìn)入該市場。

服務(wù)器市場：在 AC/DC 方面，功率密度正在推動 100W/in3 和效率 99%，因此需要 WBG。SiC 首先進(jìn)入市場的是 SiC 二極管，但 GaN 現(xiàn)在開始在服務(wù)器開關(guān)電源中占據(jù)主導(dǎo)地位。由于服務(wù)器電源正在遷移至 48V，因此結(jié)合低壓硅的 100V GaN 開始逐漸普及。到 2024 年，幾乎每臺服務(wù)器的 AC/DC 側(cè)都將以 WBG 為主，并且在 48V AC/DC 側(cè)將有大量 GaN 含量。

電機驅(qū)動器——工業(yè)：盡管電壓很高，但硅仍然主導(dǎo)著大多數(shù)電機驅(qū)動器。然而，GaN 和 SiC 都在進(jìn)入高效變頻驅(qū)動以及有源前端 (AFE) 中的電機驅(qū)動系統(tǒng)。這個市場非常保守，適應(yīng)新技術(shù)的速度會很慢，但到 2025 年，該市場的 10% 到 15% 將會發(fā)生轉(zhuǎn)變。隨著 WBG 產(chǎn)品的可靠性和成本滿足市場需求，轉(zhuǎn)換的步伐將會加快。

消費電子產(chǎn)品(電視、電器、音頻)：對成本高度敏感的市場，產(chǎn)品范圍廣泛，這些市場的高端版本已經(jīng)開始根據(jù)價格和產(chǎn)品供應(yīng)轉(zhuǎn)向 WBG，主要是 GaN。這部分行業(yè)的百分之五十 (50%) 將在 2020 年中期或后期轉(zhuǎn)變?yōu)槭澜玢y行集團(tuán)。

在電視中，高頻 AC/DC 電源可以做得超薄。它允許為高端市場提供非常纖薄的電視。2019-2020年，大部分高端音頻系統(tǒng)也在轉(zhuǎn)向GaN，隨著價格的降低，低端消費音頻也將擁抱它。

在家電領(lǐng)域，全球效率要求和要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，隨著價格的下行，中低端產(chǎn)品會調(diào)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(jīng)是，現(xiàn)在仍然是 GaN 和 SiC 最快的擁抱者之一。它也值得市場，因為它證明了 WBG 與其他產(chǎn)品相比的可靠性。

太陽能/儲能：這個市場對成本非常敏感并且對采用新技術(shù)非常謹(jǐn)慎，但在過去五 (5) 年中，WBG 產(chǎn)品已慢慢滲透到市場中。對于太陽能裝置，更高電壓的 SiC 非常重要，因為宇宙輻射需要全球電壓和降額。SiC 的宇宙輻射性能優(yōu)于 IGBT。盡管 GaN 優(yōu)于 SiC，但 GaN 尚不具備太陽能逆變器所需的高電壓。然而，GaN 正以兩種方式進(jìn)入這個市場：

· 儲能系統(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。

· 帶有多級轉(zhuǎn)換器的太陽能逆變器——雖然更復(fù)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(chǎn)品的最大市場，SiC 將在 2018 年率先滲透。由于性能和可靠性更高，GaN 將在 2020-21 年迅速趕上。在電動汽車 (EV) 市場中，有：

· 車載充電：這里需要考慮尺寸、重量和效率。因此，幾乎全球都采用了 GaN 和 SiC。

· AC/DC 轉(zhuǎn)換：將 400V 或 800V EV 電池轉(zhuǎn)換為 12V 或 48V 是每輛汽車的功能。它還需要重量輕，并且將使用 WBG。

· 牽引逆變器：硅 IGBT 在 2020 年占據(jù)市場主導(dǎo)地位，但大多數(shù)牽引公司都開發(fā)了基于 SiC 的牽引逆變器。隨著大電流 GaN 開關(guān)的可用性和高可靠性，大多數(shù)已經(jīng)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(shè)備，到 2030 年將實現(xiàn)大部分轉(zhuǎn)換。

記者：您認(rèn)為誰或什么是主導(dǎo)力量?(如市場、技術(shù)趨勢、公司)

主導(dǎo)決策的市場力量將決定采用率和設(shè)計。在電力電子領(lǐng)域，以下市場力量正在推動主導(dǎo)公司和趨勢的出現(xiàn)：-

· WBG 最初以 SiC 二極管的形式采用，以提高開關(guān)電源的效率。早期進(jìn)入的 SiC 二極管存在一些質(zhì)量問題，因此我們認(rèn)為 WBG 器件的整體主導(dǎo)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更低的電池成本的需求。

· 成本：電力電子展覽會在整個 21 世紀(jì)的頭幾十年都受到價格的限制。所以，當(dāng)WBG產(chǎn)品以高價進(jìn)入市場時，市場接受度卻很低。WBG 的采用改變了這一點。來自 SiC 和 GaN 公司的 WBG 器件現(xiàn)已進(jìn)入第 4 代或第 5 代，并且在某些地區(qū)價格已經(jīng)接近甚至超過硅的價格，因此采用率正在回升。

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

· SiC 建立在 SiC 晶圓上，比 GaN 成熟幾年，正達(dá)到平坦的成本曲線，預(yù)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(rèn)為是好的，因為 30 年來，硅器件已被證明非常可靠。然而，隨著 WBG 的加入，以及電動汽車等新市場的進(jìn)入，可靠性已成為采用 WBG 的主導(dǎo)因素?？煽啃酝ㄟ^時間故障 (FIT) 或每十億小時的故障數(shù)來衡量。例如，優(yōu)質(zhì)硅器件需要 <1 的 FIT 率，許多器件 <0.1 WBG 供應(yīng)商從 <0.1 FIT 到數(shù)十 (10s) 甚至數(shù)百 (100s) 的 SiC 模塊。

我們相信，真正的市場贏家將擁有合理的成本和繼續(xù)降低價格的路線圖，而且還將擁有經(jīng)過驗證的大型供應(yīng)鏈，以確?？蛻粼谂c硅相同的訂單中獲得可靠的供應(yīng)和可靠性。

記者：在您看來，該行業(yè)如何解決成本高、產(chǎn)量有限和供應(yīng)鏈?zhǔn)芟薜仁曛玫膯栴}?

無論技術(shù)如何，所有客戶都關(guān)心成本和供應(yīng)鏈。在這方面，WBG 和 Silicon 是相似的。但是，SiC和GaN的發(fā)展存在差異。

硅生長在錠中，然后切割成晶圓，而碳化硅生長在晶圓中，這在質(zhì)量和數(shù)量上都很難遇到。有幾家供應(yīng)商，領(lǐng)先的供應(yīng)商是 Cree，然后供應(yīng)更大的公司，如 ST、ON、Infineon 和他們自己的部門 Wolfspeed。在這一點上，一旦電動汽車市場啟動，業(yè)界最大的擔(dān)憂之一就是 SiC 的可用性。Cree 宣布在 2019 年擴(kuò)充 10 億美元的產(chǎn)能，但考慮到功率分立市場約為 180 億美元，這意味著供應(yīng)有限。

商業(yè)和汽車 GaN 是在標(biāo)準(zhǔn)硅晶圓上開發(fā)的，并且大部分使用標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝。能力的限制是 EPI 室，它可以縮放到任何體積，給定 9-12 個月的交付時間。因此，GaN 不存在任何限制性供應(yīng)鏈問題。

SiC 和 GaN 的供應(yīng)商都有不同的技術(shù)，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)級接觸各種資源。比如服務(wù)器電源，一個數(shù)據(jù)卡可以用多個供應(yīng)商的產(chǎn)品開發(fā)，而且都可以合格。GaN Systems 等其他供應(yīng)商(與 Rohm 半導(dǎo)體)簽訂了多源協(xié)議，以減輕客戶的擔(dān)憂。

關(guān)于成本，所有 WBG 開發(fā)人員都可以承受第 3、4 和 5 代以減小尺寸和價格標(biāo)簽。盡管 SiC 和 GaN 在 2020 年已經(jīng)達(dá)到了多樣化的應(yīng)用點，但它們的總市場份額仍然很低。他們都認(rèn)為 到 2025 年復(fù)合年增長率 (CAGR) 將接近 30%，因為成本已經(jīng)下降，而且正如行業(yè)所證明的那樣，WBG 產(chǎn)品的額外成本會帶來價值。