Perspektywy wzrostu dla półprzewodników GaN i SiC

Świat półprzewodników żyje galenem (GaN) i węglikiem krzemu (SiC). Słychać, że GaN i SiC są gotowe, by zakończyć długie panowanie krzemu. Są na językach, ponieważ mówimy o dużych skokach w efektywności i wydajności, które już wpływają na główne branże, w tym pojazdy elektryczne, energię odnawialną i elektronikę użytkową.

Dlaczego to takie ważne? W miarę jak dążymy do bardziej kompaktowych, mocniejszych i bardziej energooszczędnych urządzeń, stary dobry krzem już nie daje rady. GaN i SiC? To świeże talenty z potencjałem do superładowania systemów zasilania, zwiększania efektywności i odblokowywania innowacji, o których nie mogliśmy marzyć dekadę temu. Odzwierciedlając to wszystko, rynek GaN i SiC szybko rośnie.

Rozmiar rynku i prognozy wzrostu

Spójrzmy na liczby. Według Fact.MR, rynek półprzewodników GaN i SiC ma wzrosnąć z szacowanych $1,4 miliarda w 2024 roku do $11 miliardów do 2034 roku, co oznacza złożoną roczną stopę wzrostu (CAGR) wynoszącą 22,9%. Future Market Insights (FMI) przedstawia bardziej optymistyczną prognozę, szacując, że rynek może osiągnąć imponujące $23,7 miliarda do 2034 roku, rosnąc z CAGR wynoszącym 27,1% od 2024 do 2034 roku (patrz Rysunek 1).

Co to są materiały o szerokiej przerwie energetycznej?

Materiały o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) (głównie GaN i SiC) są na czele technologii półprzewodników. Te materiały są używane do tworzenia różnorodnych komponentów dyskretnych, modułów mocy i układów scalonych. Termin "szeroka przerwa energetyczna" odnosi się do znaczącej różnicy energii między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa w tych materiałach, zazwyczaj 3 eV lub więcej, w porównaniu do 1,1 eV krzemu.

Zalety materiałów o szerokiej przerwie energetycznej

Jedną z dużych zalet materiałów WBG jest ich zdolność do wytrzymywania znacznie silniejszych pól elektrycznych przed wystąpieniem przebicia. GaN i SiC mogą pochwalić się polami przebicia około dziesięć razy wyższymi niż krzem. Ta charakterystyka, w połączeniu z ich szeroką przerwą energetyczną, pozwala urządzeniom wykonanym z tych materiałów pracować przy wyższych napięciach, temperaturach i częstotliwościach niż tradycyjne półprzewodniki na bazie krzemu.

Wyższe temperatury pracy: Urządzenia WBG mogą pracować w temperaturach do 200°C, w porównaniu do limitu krzemu wynoszącego około 150°C.

Part Insights Experience

Access critical supply chain intelligence as you design.

Learn More

Wyższa praca napięciowa: Wyższe pole przebicia pozwala urządzeniom WBG obsługiwać znacznie wyższe napięcia w mniejszych urządzeniach.

Szybsze prędkości przełączania: Materiały WBG umożliwiają częstotliwości przełączania do 10 razy wyższe niż krzem, dzięki wyższej mobilności elektronów i prędkości nasycenia.

Poprawiona efektywność: Urządzenia WBG mają niższą rezystancję w stanie załączenia i straty przełączania, co prowadzi do wyższej efektywności w aplikacjach konwersji mocy.

Mniejszy rozmiar urządzenia: Wyższe właściwości materiałów WBG pozwalają na bardziej kompaktowe i lżejsze konstrukcje.

Wiodące aplikacje wzrostowe dla GaN i SiC

Adopcja półprzewodników GaN i SiC szybko rośnie w różnych branżach, napędzana ich wyższymi parametrami wydajności. Te materiały o szerokiej przerwie energetycznej znajdują zastosowanie w kilku kluczowych sektorach, wykorzystując GaN i SiC do napędzania innowacji i efektywności. Spójrzmy na kilka z nich:

Make cents of your BOM

Free supply chain insights delivered to your inbox

Learn More

Pojazdy elektryczne: Ponieważ GaN i SiC działają przy wyższych napięciach i temperaturach, są one dobrze przystosowane do poprawy wielu zastosowań motoryzacyjnych i przejścia na mobilność elektryczną. Na przykład, GaN i SiC są używane do zwiększenia efektywności napędów EV, umożliwiając dłuższe zasięgi jazdy i szybsze czasy ładowania, które są kluczowymi różnicami dla pojazdów elektrycznych. 

Elektronika użytkowa: Materiały GaN i SiC umożliwiają tworzenie mniejszych, lżejszych komponentów bez poświęcania wydajności. Sprawia to, że są one cenne przy rozwijaniu urządzeń konsumenckich nowej generacji i spełnianiu ciągłego popytu na miniaturyzację.

Komunikacja bezprzewodowa: Sieci 5G i ewoluujące technologie bezprzewodowe tworzą znaczące możliwości dla GaN i SiC. GaN jest szczególnie cenny w stacjach bazowych 5G, podczas gdy oba materiały znajdują zastosowanie w systemach satelitarnych i radarowych. 

Energia odnawialna: GaN i SiC znajdują swoje miejsce w systemach energii zrównoważonej dzięki ich zdolności do poprawy efektywności i opłacalności odnawialnych systemów konwersji i zarządzania energią.

Postępy technologiczne w GaN i SiC

Rynek półprzewodników GaN i SiC doświadcza intensywnej konkurencji, gdyż giganci branży i innowacyjne startupy rywalizują o dominację, inwestując znaczne środki w badania i rozwój. 

Ciągłe doskonalenie procesów produkcyjnych — takich jak techniki wzrostu epitaksjalnego i zaawansowane technologie pakowania — zwiększa wydajność i poprawia wydajność. Ponieważ produkcja GaN i SiC staje się bardziej efektywna i opłacalna, bariery dla tych technologii są obniżane, co umożliwia ich szersze zastosowanie w różnych branżach. 

Wyzwania i ograniczenia GaN i SiC

Pomimo pozytywnych perspektyw długoterminowych, rynek GaN i SiC stoi przed kilkoma wyzwaniami, w tym: 

Wysokie koszty produkcji: Procesy fabrykacji urządzeń GaN i SiC wymagają specjalistycznego sprzętu, skomplikowanych technik wzrostu epitaksjalnego i rygorystycznych środków kontroli jakości. Obecnie oznacza to wysokie koszty produkcji. Te wysokie koszty ograniczają skalowalność produkcji i mogą skutkować stosunkowo drogimi produktami końcowymi, co sprawia, że niektóre rozwiązania GaN i SiC są mniej konkurencyjne niż tradycyjne alternatywy oparte na krzemie.

Jednak konkurencja na tym lukratywnym rynku napędza wyścig o osiągnięcie równości kosztów z tradycyjnymi półprzewodnikami na bazie krzemu. Na przykład, Infineon niedawno ogłosił przełom w technologii GaN, który mógłby znacząco obniżyć ceny urządzeń GaN i umożliwić firmie zdobycie dużego fragmentu rynku. W ogłoszeniu, Jochen Hanebeck, CEO Infineon, mówi: „Spodziewamy się, że ceny rynkowe chipów GaN zbliżą się do cen krzemu w nadchodzących latach.”

Ograniczona dostępność wysokiej jakości podłoży: GaN i SiC wymagają specjalizowanych podłoży do wzrostu epitaksjalnego, a dostawa tych podłoży może być ograniczona przez czynniki takie jak pojemność produkcyjna i jakość materiału. Ograniczona dostępność podłoży może prowadzić do zakłóceń w łańcuchu dostaw, zwiększonych kosztów produkcji i opóźnień w rozwoju produktu.

Konkurencja o podłoża: Konkurencja o podłoża między różnymi branżami pogarsza sytuację, czasami utrudniając skalowalność produkcji urządzeń GaN i SiC oraz hamując szersze przyjęcie w różnych aplikacjach.

Ostatni artykuł McKinsey na temat zarządzania niepewnością na rynku wafli z węglika krzemu zagłębia się w to, jak przemysł wafli SiC stoi przed znacznymi ograniczeniami w łańcuchu dostaw. McKinsey stwierdza, że te wyzwania muszą być aktywnie zarządzane poprzez lepsze planowanie, dywersyfikację i inwestycje, aby sprostać prognozowanemu wzrostowi popytu.

Realizacja potencjału GaN i SiC

Przyszłość półprzewodników GaN i SiC zapowiada się obiecująco. Z pojawieniem się pojazdów elektrycznych, systemów energii odnawialnej i elektroniki użytkowej nowej generacji, które przesuwają granice możliwości, materiały o szerokiej przerwie energetycznej są gotowe, aby zająć centralne miejsce. 

W miarę jak producenci postępują w doskonaleniu metod produkcji, koszty spadają, a adopcja w różnych branżach rośnie. Wyzwanie dla branży? Dotrzymywanie kroku potencjalnie gwałtownie rosnącemu popytowi, pokonując jednocześnie przeszkody takie jak wysokie koszty produkcji i ograniczona dostępność substratów.

Wyścig o zmniejszenie różnicy w stosunku do tradycyjnego krzemu się zaostrza, a my obserwujemy, jak giganci branży, tacy jak Infineon, dokonują znaczących przełomów. W miarę jak współpraca między badaczami, producentami i użytkownikami końcowymi rośnie i nabiera tempa, pełny potencjał tych technologii staje się coraz bliżej.