Перспективы роста для полупроводников GaN и SiC

Мир полупроводников взбудоражен галлием нитридом (GaN) и карбидом кремния (SiC). Говорят, что GaN и SiC готовы нарушить долгое господство кремния. Они находятся в центре внимания, потому что мы говорим о значительных скачках в эффективности и производительности, которые уже оказывают влияние на крупные отрасли, включая электромобили, возобновляемую энергию и потребительскую электронику.

Почему это так важно? По мере того как мы стремимся к более компактным, мощным и энергоэффективным устройствам, старый добрый кремний больше не справляется. GaN и SiC? Это новые таланты с потенциалом для радикального улучшения систем питания, повышения эффективности и открытия инноваций, о которых мы не могли мечтать десять лет назад. Отражая все это, рынок GaN и SiC быстро растет.

Размер рынка и прогнозы роста

Давайте посмотрим на цифры. Согласно Fact.MR, рынок полупроводников GaN и SiC ожидается увеличиться с прогнозируемых $1.4 миллиарда в 2024 году до $11 миллиардов к 2034 году, что составляет совокупный годовой темп роста (CAGR)  22.9%. Future Market Insights (FMI) предоставляет более оптимистичный прогноз, оценивая, что рынок может достичь впечатляющих $23.7 миллиарда к 2034 году, растя при этом с CAGR 27.1% с 2024 по 2034 год (см. Рисунок 1).

Что такое материалы с широкой запрещенной зоной?

Материалы с широкой запрещенной зоной (WBG) (в основном GaN и SiC) находятся на переднем крае технологии полупроводников. Эти материалы используются для создания различных дискретных компонентов, силовых модулей и интегральных схем. Термин "широкая запрещенная зона" относится к значительному энергетическому разрыву между валентной зоной и зоной проводимости в этих материалах, обычно 3 эВ или выше, чем 1.1 эВ у кремния.

Преимущества материалов с широкой запрещенной зоной

Одним из больших преимуществ материалов с широким запрещенным зоной (WBG) является их способность выдерживать значительно более сильные электрические поля до наступления пробоя. GaN и SiC обладают пробивными полями, примерно в десять раз выше, чем у кремния. Эта характеристика, в сочетании с их широким запрещенным зоной, позволяет устройствам, изготовленным из этих материалов, работать при более высоких напряжениях, температурах и частотах, чем традиционные полупроводники на основе кремния.

Высокие рабочие температуры: Устройства WBG могут работать при температурах до 200°C, в отличие от предела кремния около 150°C.

Part Insights Experience

Access critical supply chain intelligence as you design.

Learn More

Работа при высоком напряжении: Более высокое пробивное поле позволяет устройствам WBG работать с значительно более высокими напряжениями в более компактных устройствах.

Более высокие скорости переключения: Материалы WBG обеспечивают частоты переключения до 10 раз выше, чем у кремния, благодаря более высокой подвижности электронов и скорости насыщения.

Повышенная эффективность: Устройства WBG имеют меньшее сопротивление в открытом состоянии и потери при переключении, что приводит к более высокой эффективности в приложениях преобразования мощности.

Меньший размер устройства: Превосходные свойства материалов WBG позволяют создавать более компактные и легкие конструкции.

Ведущие направления роста для GaN и SiC

Принятие полупроводников на основе GaN и SiC стремительно расширяется в различных отраслях благодаря их выдающимся характеристикам. Эти материалы с широким запрещенным зоной находят применение в нескольких ключевых секторах, каждый из которых использует GaN и SiC для стимулирования инноваций и повышения эффективности. Давайте рассмотрим некоторые из них:

Make cents of your BOM

Free supply chain insights delivered to your inbox

Learn More

Электромобили: Поскольку GaN и SiC работают при более высоких напряжениях и температурах, они хорошо подходят для улучшения многих автомобильных приложений и перехода к электромобильности. Например, GaN и SiC используются для повышения эффективности силовых агрегатов электромобилей, что позволяет увеличить дальность хода и сократить время зарядки, что является критически важным фактором для электромобилей. 

Потребительская электроника: Материалы GaN и SiC позволяют создавать более компактные и легкие компоненты без потери производительности. Это делает их ценными для разработки устройств нового поколения и удовлетворения постоянных требований к миниатюризации.

Беспроводная связь: Сети 5G и развивающиеся беспроводные технологии создают значительные возможности для GaN и SiC. GaN особенно ценен в базовых станциях 5G, в то время как оба материала находят применение в спутниковых и радиолокационных системах. 

Возобновляемая энергия: GaN и SiC находят свое место в системах устойчивой энергетики благодаря их способности повышать эффективность и экономичность систем преобразования энергии и управления ею.

Технологические достижения GaN и SiC

Рынок полупроводников GaN и SiC испытывает интенсивную конкуренцию, поскольку крупные игроки отрасли и инновационные стартапы соревнуются за доминирование, вкладывая значительные средства в исследования и разработки. 

Постоянные улучшения в производственных процессах, такие как техники эпитаксиального роста и передовые технологии упаковки, повышают производительность и улучшают выход продукции. По мере того как производство GaN и SiC становится более эффективным и экономически выгодным, барьеры для использования этих технологий в широком спектре отраслей снижаются. 

Проблемы и ограничения GaN и SiC

Несмотря на положительные долгосрочные перспективы, рынок GaN и SiC сталкивается с рядом проблем, включая: 

Высокие производственные затраты: Процессы изготовления устройств GaN и SiC включают в себя использование специализированного оборудования, сложные техники эпитаксиального роста и строгие меры контроля качества. Сегодня это означает высокие производственные расходы. Эти высокие затраты ограничивают масштабируемость производства и могут привести к относительно дорогим конечным продуктам, делая некоторые решения на основе GaN и SiC менее конкурентоспособными по сравнению с традиционными альтернативами на основе кремния.

Тем не менее, конкуренция за этот прибыльный рынок подстегивает гонку за достижение паритета стоимости с традиционными кремниевыми полупроводниками. Например, Infineon недавно объявил о прорыве в технологии GaN, который может значительно снизить цены на устройства GaN и позволить компании захватить большую часть рынка. В объявлении  Йохен Ханебек, генеральный директор Infineon, говорит: «Мы ожидаем, что рыночные цены на чипы GaN приблизятся к ценам на кремний в ближайшие годы.» 

Ограниченная доступность высококачественных подложек: GaN и SiC требуют специализированных подложек для эпитаксиального роста, и поставка этих подложек может быть ограничена факторами, такими как производственная мощность и качество материала. Ограниченная доступность подложек может привести к нарушениям в цепочке поставок, увеличению производственных затрат и задержкам в разработке продукта.

Конкуренция за подложки: Конкуренция за подложки между различными отраслями усугубляет ситуацию, иногда препятствуя масштабируемости производства устройств GaN и SiC и затрудняя более широкое применение в различных приложениях.

Недавняя статья McKinsey о управлении неопределенностью на рынке подложек из карбида кремния подробно рассматривает, как индустрия подложек SiC сталкивается с значительными ограничениями в цепочке поставок. McKinsey говорит, что эти вызовы необходимо активно управлять через улучшение планирования, диверсификацию и инвестиции для удовлетворения прогнозируемого роста спроса.

Осознавая потенциал GaN и SiC

Будущее полупроводников GaN и SiC выглядит многообещающим. С развитием электромобилей, систем возобновляемой энергии и потребительской электроники нового поколения, которые толкают границы возможного, материалы с широкой запрещенной зоной готовы выйти на первый план. 

По мере того как производители совершенствуют методы производства, стоимость снижается, и принятие на различных отраслях растет. Вызов для индустрии? Сохранение темпов с потенциально взлетающим спросом, преодолевая препятствия, такие как высокие производственные затраты и ограниченная доступность субстратов.

Гонка за сокращение разрыва с традиционным кремнием набирает обороты, и мы видим, как такие гиганты индустрии, как Infineon, делают значительные прорывы. По мере роста и набора оборотов сотрудничества между исследователями, производителями и конечными пользователями, полный потенциал этих технологий становится всё ближе и ближе.