討論寬帶隙半導(dǎo)體背后的技術(shù)、市場(chǎng)前景和機(jī)遇

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

記者：您認(rèn)為 WBG 市場(chǎng)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(shí)幾乎無處不在。該預(yù)測(cè)從市場(chǎng)各個(gè)細(xì)分市場(chǎng)的以下亮點(diǎn)中收集：

個(gè)人電腦/便攜式市場(chǎng)：隨著 GaN 適配器在 2019 年底進(jìn)入市場(chǎng)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(jī)、平板電腦和筆記本電腦將繼續(xù)使用硅，因?yàn)殡妷旱陀?30V。硅仍然主導(dǎo)著這個(gè)領(lǐng)域，并將持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)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(chǎng)。

服務(wù)器市場(chǎng)：在 AC/DC 方面，功率密度正在推動(dòng) 100W/in3 和效率 99%，因此需要 WBG。SiC 首先進(jìn)入市場(chǎng)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(tái)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(jī)驅(qū)動(dòng)器——工業(yè)：盡管電壓很高，但硅仍然主導(dǎo)著大多數(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。然而，GaN 和 SiC 都在進(jìn)入高效變頻驅(qū)動(dòng)以及有源前端 (AFE) 中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這個(gè)市場(chǎng)非常保守，適應(yīng)新技術(shù)的速度會(huì)很慢，但到 2025 年，該市場(chǎng)的 10% 到 15% 將會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。隨著 WBG 產(chǎn)品的可靠性和成本滿足市場(chǎng)需求，轉(zhuǎn)換的步伐將會(huì)加快。

消費(fèi)電子產(chǎn)品(電視、電器、音頻)：對(duì)成本高度敏感的市場(chǎng)，產(chǎn)品范圍廣泛，這些市場(chǎng)的高端版本已經(jīng)開始根據(jù)價(jià)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(chǎng)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(jià)格的降低，低端消費(fèi)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(jī)電機(jī)和功率因數(shù)校正電路采用 GaN 和 SiC。再次，隨著價(jià)格的下行，中低端產(chǎn)品會(huì)調(diào)整。

高可靠性/軍用：由于市場(chǎng)價(jià)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(chǎng)，因?yàn)樗C明了 WBG 與其他產(chǎn)品相比的可靠性。

太陽能/儲(chǔ)能：這個(gè)市場(chǎng)對(duì)成本非常敏感并且對(duì)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(chǎng)中。對(duì)于太陽能裝置，更高電壓的 SiC 非常重要，因?yàn)橛钪孑椛湫枰螂妷汉徒殿~。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(gè)市場(chǎng)：

· 儲(chǔ)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(jí)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(shí)考慮兩者。

最后是汽車市場(chǎng)。展望未來，這將是 WBG 產(chǎn)品的最大市場(chǎng)，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(dòng)汽車 (EV) 市場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)汽車市場(chǎng)將采用 WBG 設(shè)備，到 2030 年將實(shí)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(chǎng)、技術(shù)趨勢(shì)、公司)

主導(dǎo)決策的市場(chǎng)力量將決定采用率和設(shè)計(jì)。在電力電子領(lǐng)域，以下市場(chǎng)力量正在推動(dòng)主導(dǎo)公司和趨勢(shì)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(dòng)銷量增長(zhǎng)的市場(chǎng)是電動(dòng)汽車 (EV) 市場(chǎng)以及對(duì)續(xù)航里程更長(zhǎng)的電動(dòng)汽車和更低的電池成本的需求。

· 成本：電力電子展覽會(huì)在整個(gè) 21 世紀(jì)的頭幾十年都受到價(jià)格的限制。所以，當(dāng)WBG產(chǎn)品以高價(jià)進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，市場(chǎng)接受度卻很低。WBG 的采用改變了這一點(diǎn)。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(jià)格已經(jīng)接近甚至超過硅的價(jià)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?yàn)椴襟E數(shù)少，所以速率由 Epi 生長(zhǎng)時(shí)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(jì)未來幾年的總成本將高于硅和 GaN。

· 可靠性：這種市場(chǎng)力量被認(rèn)為是好的，因?yàn)?30 年來，硅器件已被證明非?？煽?。然而，隨著 WBG 的加入，以及電動(dòng)汽車等新市場(chǎng)的進(jìn)入，可靠性已成為采用 WBG 的主導(dǎo)因素?？煽啃酝ㄟ^時(shí)間故障 (FIT) 或每十億小時(shí)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(chǎng)贏家將擁有合理的成本和繼續(xù)降低價(jià)格的路線圖，而且還將擁有經(jīng)過驗(yàn)證的大型供應(yīng)鏈，以確保客戶在與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(zhǎng)在錠中，然后切割成晶圓，而碳化硅生長(zhǎng)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(diǎn)上，一旦電動(dòng)汽車市場(chǎng)啟動(dòng)，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(chǎng)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(gè)月的交付時(shí)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(gè)來源。因此，客戶正在系統(tǒng)級(jí)接觸各種資源。比如服務(wù)器電源，一個(gè)數(shù)據(jù)卡可以用多個(gè)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(jià)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(diǎn)，但它們的總市場(chǎng)份額仍然很低。他們都認(rèn)為 到 2025 年復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR) 將接近 30%，因?yàn)槌杀疽呀?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(huì)帶來價(jià)值。