SiC和GaN的生产和成本挑战快速采用

硅没了？还没有。虽然氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 功率晶体管现在被誉为电源管理的新革命，但仍有许多挑战需要克服，尤其是成本高，而且在许多情况下可靠性低。

减少电子设备的功耗和热量对于应对气候变化和当前能源危机的挑战至关重要。

我们将继续投资用于云计算的大型数据中心，可能还有虚拟宇宙，以及新的智能手机和其他小型电子设备。SiC 和 GaN 都有助于减小尺寸、热量和功耗，但这些技术要成为常态还需要时间。

在 2022 年电子展上，几位专家谈到了 GaN 和 SiC 功率晶体管当前和未来的挑战和机遇，重点是生产和采用率。

在强调这两种技术优势的讨论中，很明显硅 MOSFET 不会很快消失。虽然GaN晶体管的生产成本已经达到MOSFET的水平甚至更低，但要赶上量产还需要很多年，甚至几十年。

“当双极晶体管变成 MOSFET 时，第一次功率革命发生了；现在，我们正在经历第二次革命，无论是 GaN 还是 SiC，硅都已经消失了，”Navitas Semiconductor 公司营销和投资者关系副总裁 Stephen Oliver 说。“如果有人想在尖端、前沿工作，无论是集成，还是最高电压，纯粹的世界，氮化镓、碳化硅都是可行的方法。”

这两种化合物替代硅 MOSFET 和双极晶体管的前景十分明朗。问题是何时以及以何种代价发生。

Efficient Power Conversion 首席执行官 Alex Lidow 说：“我们永远不会看到 MOSFET 的终结。10 年或 15 年后，今天的传统应用将留在硅 MOSFET 中。MOSFET的增长率可能会下降，甚至单位增长率可能会下降，但价格会像双极晶体管一样上涨。所以这是一个长周期方面。氮化镓功率晶体管的生产成本已经低于 MOSFET。”

到 2030 年，业界预计 GaN 和 SiC 的结合将达到 MOSFET 的市场价值。

“今天，95% 的市场是纯硅；当然，SiC 和 GaN 的发展速度要快得多，”英飞凌科技高级负责人 Gerald Deboy 说。“作为一家公司，我们需要拥有所有技术才能设计出碳化硅和氮化镓之间的先进差异化设计。与此同时，硅仍然填补了一个空洞，我们预计所有技术至少在十年内共存。......如果你看看碳化硅和氮化镓的发展速度，GaN 略微落后于 SiC，但 GaN 的发展速度非常快，我们看到了很多机会。”

“去年，硅 MOSFET 分立模块的功率半导体市场规模为 280 亿美元，”Wolfspeed 功率产品高级总监 Guy Moxey 表示，“碳化硅接近 20 亿美元，而我认为 GaN 刚刚徘徊在 10 亿美元以下。所以显然很小。如果你看一下数据报告所说的 2030 年，那并不遥远，两到三个设计周期，SiC 市场将接近 200 亿美元，我认为 GaN 市场将达到 5 至 3 美元60 亿美元，也许还不止这些。”

小组成员相信，对于某些低压应用，明年 GaN 的价格将与 MOSFET 的价格相当。“在价格方面，如果你看一下 65-W USB Power Delivery 充电器，我们估计明年上半年氮化镓和硅的系统价格将相同，”Oliver 说。“与此同时，它的体积和重量都减少了 3 倍，因此对于移动计算行业来说是一个非常有价值的主张。”

GaN 技术是低电压应用的理想选择，但在将两种技术结合的汽车应用中使用时存在一些可靠性问题。

“我们在使用氮化镓时遇到的主要问题是它非常、非常快：要在电感情况下使用它，你需要减慢它的速度，并且你需要限制你必须处理的寄生电感量，”Power Integrations 营销和应用工程副总裁 Doug Bailey 说。“我们的战略是整合 GaN 部分和 SiC 部分。我们有用于汽车系统的碳化硅版本的产品。我们将它们与控制器集成到同一个包中。”

SiC 可以在更高的电压下工作，但与硅相比更难制造。这就是为什么该行业正在投资数十亿美元来提高产能以满足需求的原因。

“多年来，我们已经知道这需要时间；2016 年，我们的总裁宣布了我们公司历史上最高的投资，”罗姆半导体欧洲公司汽车部门和电力系统总监 Aly Mashaly 说。“我们公司也有垂直整合系统；我们有自己的原材料基板工厂，也有制造硅芯片和模块的工厂。”

对于小组成员来说，道路是清晰的，技术是可靠的。需要几年时间才能提高产量、赢得更多设计并达到电子行业具有竞争力所需的价格点。

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