氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）半导体现已量产并迅速获得市场份额。根据市场研究公司Yole的数据，到2027年底，GaN和SiC器件将占据功率半导体市场的30%，取代硅MOSFET和IGBT。这是一个巨大的趋势，它要求更清楚地了解这些宽带隙（WBG）表亲在底层设计技术、制造实践和目标应用方面所处的位置。
纳微半导体公司营销副总裁斯蒂芬·奥利弗（Stephen Oliver）认为：“这意味着电源设计工程师更熟悉它，”他说：“此外，它更像是一个单一的组件，这意味着你可以用一个代替另一个。”
Oliver补充说，大多数SiC器件采用三引脚封装，这使得它们非常适合大功率、高压应用。因此，它们被广泛用于风力涡轮机、太阳能逆变器、铁路机车以及卡车和公共汽车。另一方面，对于氮化镓半导体，他认为650V和700V器件可满足从20W手机充电器到20kW电源应用的各种需求。除此之外，SiC是正确的选择。
图1. 基于GaN的戴尔Alienware 240W充电器的尺寸几乎与旧的90W充电器相同，在相同体积下具有2.7倍的功率。（图片来源：GaN Systems）
碳化硅和氮化镓的最佳应用点
GaN Systems首席执行官Jim Witham还将SiC和GaN领域分别归类为迎合高功率、高压和中功率、中压应用。GaN半导体通常跨越50V至900V，而SiC器件服务于1，000 V以上的应用。他还指出，硅仍然是低功耗、低压应用的可行选择，适用于低于40V至50V的电源设计。在解释每种半导体技术符合要求的领域时，Witham表示，就功率水平而言，硅适用于20W及以下的应用，GaN适用于20W至100kW，SiC适用于100kW至300kW及以上。硅，GaN和SiC分别存在甜蜜点，并且在边缘存在一些斗争。
他还认为SiC在为汽车（尤其是电动汽车（EV）的牵引逆变器）以及高功率电网以及风能和太阳能提供服务方面表现突出。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，而数据中心电源只是中游。对于未来，Witham认为GaN半导体将在车载充电器（OBC）和电动汽车DC-DC转换器等汽车领域起飞。
图2. 基于GaN的DC-DC转换器在电动和混合动力汽车中越来越受欢迎，用于将高压电池组与低压辅助电路连接起来。（图片来源：GaN Systems）
在拉斯维加斯举行的CES 2023上，GaN Systems在Canoo的7.2 kW OBC内展示了GaN，Canoo是一家为沃尔玛和美国陆军提供车辆的电动汽车公司。这家总部位于加拿大渥太华的GaN半导体解决方案供应商还展示了Vitesco的基于GaN的DC-DC转换器，该转换器采用800V电池总线架构。它将电池电压变换为适当的电压，用于挡风玻璃刮水器和门锁等低压辅助电路。
制造业的对比
在晶圆方面，我们看到SiC有很多动作。以Wolfspeed为例，该公司在纽约Marcy的新200毫米SiC晶圆厂上花费了近100亿美元。奥利弗说，这样的SiC玩家想要控制自己的命运。“如果你回到四年前，Wolfspeed，然后是Cree，是唯一一家生产SiC晶圆的公司，仅一片晶圆就要3000美元，”他说：“今天，我们估计有八家合格的SiC晶圆片供应商，价格已经下降到1000美元左右。”
奥利弗预计，再过四年，价格可能会达到400美元。“因此，SiC晶圆片将成为一种货架商品，一旦成为货架商品，制造业将不再是优势，”他补充说：“换句话说，供应过程的垂直整合不会是强项，优势将在芯片的设计上。”
另一方面，虽然GaN是一种先进的材料，但可以使用半导体的旧工艺，Oliver指出。“因此，当硅设计人员谈论12纳米和更小的制造节点时，我们正在为GaN器件使用500纳米加工设备。对于氮化镓半导体，纳微使用台积电的Fab No. 2，这是他们仍在运行的最古老的晶圆厂。它使用的设备在财务上完全减记下来，但它仍然提供非常高的质量和良好的容量，”奥利弗说。
图3. 氮化镓制造可以通过改造旧晶圆厂实现，因此氮化镓供应商无需花费数十亿美元建造新晶圆厂。（图片来源：纳微半导体）
“GaN的好处是，你不需要花费数十亿美元来建造新的晶圆厂，并且可以改造旧晶圆厂，”他补充道：“我们估计美国有40家在生产硅器件的老晶圆厂可以改装成制造GaN或SiC半导体。因此，GaN和SiC制造都有很大的产能。”
Witham对GaN制造的看法与Oliver的立场产生了共鸣。Witham表示，虽然晶圆产能可能是SiC器件的问题，但对于GaN半导体来说不是问题，因为增加产能需要花费数百万美元。“如果你去中国、台湾和韩国，你会看到工厂拥有数百万美元的机器制造氮化镓器件，”他说：“有了这些小型货车大小的机器，我们只需要几百万美元来增加产能，尽管人们通常不会谈论它。”
氮化镓和碳化硅之间的竞争
2022年夏天，纳微收购了SiC开发商GenSic，这笔交易背后有一个有趣的理由。根据Oliver的说法，GaN器件的市场规模为130亿美元，但排名前40亿至50亿美元的市场存在争议。“有时是GaN，有时是SiC，所以如果我们也有SiC，它将市场扩展到220亿美元，”他说：“我们不介意客户在这个220亿美元的市场中选择一个或另一个。
事实上，当GenSic被收购时，纳微的汽车设计工程师非常高兴，Oliver补充道：“现在他们不必把GaN设计推得太远了。”
GaN和SiC都是新技术，它们在应用和设计创新方面正在迅速多样化。正如Witham所说，GaN和SiC器件的特定市场正在形成，这些WBG技术之间存在一些市场重叠。
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