Wachstumsperspektiven für GaN- und SiC-Halbleiter

Die Halbleiterwelt ist in Aufruhr wegen Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC). Es heißt, GaN und SiC seien bereit, die langjährige Vorherrschaft von Silizium zu stören. Sie stehen im Rampenlicht, weil wir über große Sprünge in Effizienz und Leistung sprechen, die bereits große Industrien beeinflussen, einschließlich Elektrofahrzeuge, erneuerbare Energien und Unterhaltungselektronik.

Warum ist das so eine große Sache? Während wir uns auf kompaktere, leistungsfähigere und energieeffizientere Geräte zubewegen, reicht der alte Silizium-Arbeitspferd nicht mehr aus. GaN und SiC? Das sind frische Talente mit dem Potenzial, Energiesysteme zu superchargen, die Effizienz zu steigern und Innovationen freizusetzen, von denen wir vor einem Jahrzehnt noch nicht träumen konnten. Angesichts all dessen wächst der Markt für GaN und SiC schnell.

Marktgröße und Wachstumsprognosen

Lassen Sie uns die Zahlen betrachten. Laut Fact.MR wird erwartet, dass der Markt für GaN- und SiC-Halbleiter von geschätzten 1,4 Milliarden US-Dollar im Jahr 2024 auf 11 Milliarden US-Dollar bis 2034 anwächst, was einer jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 22,9% entspricht.Future Market Insights (FMI) gibt eine noch optimistischere Prognose ab und schätzt, dass der Markt bis 2034 beeindruckende 23,7 Milliarden US-Dollar erreichen könnte, mit einer CAGR von 27,1% von 2024 bis 2034 (siehe Abbildung 1).

Was sind Wide Bandgap Materialien?

Wide Bandgap (WBG)-Materialien (hauptsächlich GaN und SiC) stehen an der Spitze der Halbleitertechnologie. Diese Materialien werden verwendet, um eine Vielzahl von diskreten Komponenten, Leistungsmodulen und integrierten Schaltkreisen zu erstellen. Der Begriff "Wide Bandgap" bezieht sich auf den erheblichen Energieunterschied zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband in diesen Materialien, typischerweise 3 eV oder höher als die 1,1 eV von Silizium.

Vorteile von Wide Bandgap Materialien

Einer der großen Vorteile von WBG-Materialien ist ihre Fähigkeit, wesentlich stärkere elektrische Felder auszuhalten, bevor ein Durchbruch auftritt. GaN und SiC weisen Durchbruchfeldstärken auf, die etwa zehnmal höher sind als die von Silizium. Diese Eigenschaft, kombiniert mit ihrer weiten Bandlücke, ermöglicht es Geräten, die aus diesen Materialien hergestellt sind, bei höheren Spannungen, Temperaturen und Frequenzen zu arbeiten als traditionelle auf Silizium basierende Halbleiter.

Höhere Betriebstemperaturen: WBG-Geräte können bei Temperaturen von bis zu 200°C betrieben werden, verglichen mit dem Limit von Silizium bei etwa 150°C.

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Höhere Spannungsoperation: Ein höheres Durchbruchfeld ermöglicht es WBG-Geräten, viel höhere Spannungen in kleineren Geräten zu handhaben.

Schnellere Schaltgeschwindigkeiten: WBG-Materialien ermöglichen Schaltfrequenzen, die bis zu 10-mal höher sind als bei Silizium, aufgrund höherer Elektronenmobilität und Sättigungsgeschwindigkeit.

Verbesserte Effizienz: WBG-Geräte haben einen niedrigeren Einschaltwiderstand und geringere Schaltverluste, was zu einer höheren Effizienz bei Anwendungen zur Leistungsumwandlung führt.

Kleinere Gerätegröße: Die überlegenen Eigenschaften von WBG-Materialien ermöglichen kompaktere und leichtere Designs.

Führende Wachstumsanwendungen für GaN und SiC

Die Übernahme von GaN- und SiC-Halbleitern breitet sich rasch über Industrien aus, angetrieben durch ihre überlegenen Leistungsmerkmale. Diese Materialien mit weitem Bandabstand finden Anwendung in mehreren Schlüsselsektoren, wobei GaN und SiC zur Förderung von Innovation und Effizienz genutzt werden. Werfen wir einen Blick auf einige davon:

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Elektrofahrzeuge: Da GaN und SiC bei höheren Spannungen und Temperaturen arbeiten, eignen sie sich gut, um viele Automobilanwendungen zu verbessern und den Übergang zur Elektromobilität zu unterstützen. Beispielsweise werden GaN und SiC verwendet, um die Effizienz von EV-Antriebssträngen zu erhöhen, was längere Fahrreichweiten und schnellere Ladezeiten ermöglicht, die für Elektrofahrzeuge entscheidende Unterscheidungsmerkmale sind. 

Verbraucherelektronik: GaN- und SiC-Materialien ermöglichen kleinere, leichtere Komponenten ohne Leistungseinbußen. Dies macht sie wertvoll für die Entwicklung von Geräten der nächsten Generation und unterstützt das kontinuierliche Streben nach Miniaturisierung.

Drahtlose Kommunikation: 5G-Netzwerke und sich entwickelnde drahtlose Technologien schaffen bedeutende Möglichkeiten für GaN und SiC. GaN ist besonders wertvoll in 5G-Basisstationen, während beide Materialien in Satelliten- und Radarsystemen zu finden sind. 

Erneuerbare Energien: GaN und SiC finden ihren Platz in nachhaltigen Energiesystemen aufgrund ihrer Fähigkeit, die Effizienz und Kosteneffektivität von erneuerbaren Energieumwandlungs- und Managementsystemen zu verbessern.

Technologische Fortschritte bei GaN und SiC

Der Markt für GaN- und SiC-Halbleiter erlebt einen intensiven Wettbewerb, da sowohl Branchenriesen als auch innovative Start-ups mit hohen Investitionen in Forschung und Entwicklung um die Vorherrschaft kämpfen. 

Kontinuierliche Verbesserungen in den Herstellungsprozessen – wie Epitaxie-Wachstumsverfahren und fortschrittliche Verpackungstechnologien – steigern die Leistung und verbessern die Ausbeuten. Da die Herstellung von GaN und SiC effizienter und kostengünstiger wird, werden die Barrieren für diese Technologien gesenkt, was ihre breitere Verwendung in verschiedenen Branchen ermöglicht. 

Herausforderungen und Grenzen von GaN und SiC

Trotz der positiven langfristigen Aussichten steht der Markt für GaN und SiC vor mehreren Herausforderungen, einschließlich: 

Hohe Herstellungskosten:Die Fertigungsprozesse für GaN- und SiC-Geräte erfordern spezialisierte Ausrüstungen, komplexe Epitaxie-Wachstumsverfahren und strenge Qualitätskontrollmaßnahmen. Heute bedeutet dies hohe Produktionskosten. Diese hohen Kosten begrenzen die Skalierbarkeit der Herstellung und können zu relativ teuren Endprodukten führen, was einige GaN- und SiC-Lösungen weniger wettbewerbsfähig macht als traditionelle siliziumbasierte Alternativen.

Doch der Wettbewerb um diesen lukrativen Markt treibt ein Rennen voran, um Kostengleichheit mit traditionellen siliziumbasierten Halbleitern zu erreichen. Zum Beispiel hat Infineon kürzlich einen Durchbruch in der GaN-Technologie angekündigt, der die Preise für GaN-Geräte erheblich senken und es dem Unternehmen ermöglichen könnte, einen großen Teil des Marktes zu erobern. In der Ankündigung sagt Jochen Hanebeck, CEO von Infineon: „Wir erwarten, dass die Marktpreise für GaN-Chips in den kommenden Jahren den Siliziumpreisen nahekommen werden.“

Begrenzte Verfügbarkeit von hochwertigen Substraten: GaN und SiC benötigen spezialisierte Substrate für das epitaktische Wachstum, und die Versorgung mit diesen Substraten kann durch Faktoren wie Produktionskapazität und Materialqualität eingeschränkt sein. Eine begrenzte Substratverfügbarkeit kann zu Lieferkettenunterbrechungen, erhöhten Produktionskosten und Verzögerungen in der Produktentwicklung führen.

Wettbewerb um Substrate: Der Wettbewerb um Substrate zwischen verschiedenen Branchen verschärft die Situation manchmal, was die Skalierbarkeit der Herstellung von GaN- und SiC-Geräten behindert und eine breitere Anwendung in verschiedenen Anwendungen erschwert.

Ein kürzlicher Artikel von McKinsey über das Management von Unsicherheiten auf dem Markt für Siliziumkarbid-Wafer geht detailliert darauf ein, wie die SiC-Wafer-Industrie erheblichen Lieferkettenbeschränkungen gegenübersteht. McKinsey sagt, dass diese Herausforderungen proaktiv durch verbesserte Planung, Diversifizierung und Investitionen bewältigt werden müssen, um das prognostizierte Nachfragewachstum zu erfüllen.

Das Potenzial von GaN und SiC realisieren

Die Zukunft der GaN- und SiC-Halbleiter sieht vielversprechend aus. Mit Elektrofahrzeugen, erneuerbaren Energiesystemen und der nächsten Generation von Verbraucherelektronik, die die Grenzen des Möglichen verschieben, stehen Materialien mit weitem Bandabstand kurz davor, in den Mittelpunkt zu rücken. 

Während die Hersteller Fortschritte bei der Verbesserung der Produktionsmethoden machen, sinken die Kosten und die Übernahme in verschiedenen Branchen nimmt zu. Die Herausforderung der Branche? Schritt zu halten mit einer potenziell in die Höhe schnellenden Nachfrage, während Hindernisse wie hohe Herstellungskosten und begrenzte Substratverfügbarkeit überwunden werden müssen.

Das Rennen, um die Lücke zum traditionellen Silizium zu schließen, heizt sich auf, und wir sehen, wie Branchenriesen wie Infineon bedeutende Durchbrüche erzielen. Da die Zusammenarbeit zwischen Forschern, Herstellern und Endnutzern wächst und an Dynamik gewinnt, rückt das volle Potenzial dieser Technologien immer näher.