Triển Vọng Tăng Trưởng cho Bán Dẫn GaN và SiC

Thế giới bán dẫn đang xôn xao về gallium nitride (GaN) và silicon carbide (SiC). Có tin đồn rằng GaN và SiC sẵn sàng làm lung lay ngôi vương lâu dài của silicon. Chúng được chú ý bởi vì chúng ta đang nói về những bước tiến lớn về hiệu suất và hiệu quả đã bắt đầu tác động đến các ngành công nghiệp lớn, bao gồm xe điện, năng lượng tái tạo và điện tử tiêu dùng.

Tại sao điều này lại là một vấn đề lớn? Khi chúng ta đua nhau hướng tới các thiết bị nhỏ gọn hơn, mạnh mẽ hơn và tiết kiệm năng lượng hơn, "con ngựa làm việc" cũ silicon không còn đáp ứng được nữa. GaN và SiC? Chúng là tài năng mới với khả năng tăng cường hệ thống điện, nâng cao hiệu suất và mở khóa những đổi mới mà chúng ta không thể mơ tới một thập kỷ trước. Phản ánh tất cả điều này, thị trường cho GaN và SiC đang phát triển nhanh chóng.

Quy Mô Thị Trường và Dự Báo Tăng Trưởng

Hãy nhìn vào những con số. Theo Fact.MR, thị trường bán dẫn GaN và SiC dự kiến sẽ mở rộng từ ước tính $1.4 tỷ vào năm 2024 đến $11 tỷ vào năm 2034, tương đương với một tỷ lệ tăng trưởng hàng năm ghép lại (CAGR) là 22.9%. Future Market Insights (FMI) cung cấp một cái nhìn lạc quan hơn, ước tính thị trường có thể đạt mức ấn tượng $23.7 tỷ vào năm 2034, tăng trưởng với CAGR là 27.1% từ 2024 đến 2034 (xem Hình 1).

Vật liệu băng thông rộng là gì?

Vật liệu băng thông rộng (WBG) (chủ yếu là GaN và SiC) đang ở tuyến đầu của công nghệ bán dẫn. Những vật liệu này được sử dụng để tạo ra một loạt các thành phần rời, mô-đun công suất và mạch tích hợp. Thuật ngữ "băng thông rộng" ám chỉ khoảng cách năng lượng đáng kể giữa băng hóa trị và băng dẫn trong những vật liệu này, thường là 3 eV hoặc cao hơn so với 1.1 eV của silicon.

Ưu điểm của Vật liệu Băng thông Rộng

Một trong những lợi ích lớn của các vật liệu WBG là khả năng chịu đựng các trường điện mạnh hơn nhiều trước khi xảy ra hiện tượng đánh thủng. GaN và SiC có trường đánh thủng cao gấp khoảng mười lần so với silicon. Đặc tính này, kết hợp với băng thông rộng của chúng, cho phép các thiết bị được làm từ những vật liệu này hoạt động ở điện áp, nhiệt độ, và tần số cao hơn so với các bán dẫn dựa trên silicon truyền thống.

Nhiệt độ Hoạt động Cao hơn: Các thiết bị WBG có thể hoạt động ở nhiệt độ lên đến 200°C, so với giới hạn khoảng 150°C của silicon.

Part Insights Experience

Access critical supply chain intelligence as you design.

Learn More

Hoạt động ở Điện áp Cao hơn: Một trường đánh thủng cao hơn cho phép các thiết bị WBG xử lý điện áp cao hơn trong các thiết bị nhỏ hơn.

Tốc độ Chuyển mạch Nhanh hơn: Các vật liệu WBG cho phép tần số chuyển mạch lên đến 10 lần cao hơn so với silicon do khả năng di chuyển electron cao hơn và vận tốc bão hòa cao hơn.

Hiệu suất Cải thiện: Các thiết bị WBG có điện trở mở thấp hơn và tổn thất chuyển mạch thấp hơn, dẫn đến hiệu suất cao hơn trong các ứng dụng chuyển đổi công suất.

Kích thước Thiết bị Nhỏ hơn: Các tính chất vượt trội của vật liệu WBG cho phép thiết kế nhỏ gọn và nhẹ hơn.

Ứng dụng Tăng trưởng Hàng đầu cho GaN và SiC

Việc áp dụng bán dẫn GaN và SiC đang mở rộng nhanh chóng trong các ngành công nghiệp, được thúc đẩy bởi các đặc tính hiệu suất vượt trội của chúng. Những vật liệu băng thông rộng này đang tìm thấy ứng dụng trong một số lĩnh vực chủ chốt, mỗi lĩnh vực sử dụng GaN và SiC để thúc đẩy đổi mới và hiệu quả. Hãy cùng xem qua một số ví dụ:

Make cents of your BOM

Free supply chain insights delivered to your inbox

Learn More

Xe Điện: Vì GaN và SiC hoạt động ở điện áp và nhiệt độ cao hơn, chúng phù hợp để cải thiện nhiều ứng dụng ô tô và quá trình chuyển đổi sang di chuyển bằng điện. Ví dụ, GaN và SiC được sử dụng để tăng cường hiệu quả của hệ thống truyền động EV, cho phép tăng phạm vi lái xe và thời gian sạc nhanh hơn, đây là những yếu tố phân biệt quan trọng đối với xe điện. 

Điện Tử Tiêu Dùng: Vật liệu GaN và SiC cho phép các thành phần nhỏ gọn, nhẹ hơn mà không làm giảm hiệu suất. Điều này làm cho chúng có giá trị trong việc phát triển các thiết bị tiêu dùng thế hệ tiếp theo và đáp ứng nhu cầu liên tục về mini hóa.

Truyền Thông Không Dây: Mạng 5G và các công nghệ không dây đang phát triển tạo ra cơ hội đáng kể cho GaN và SiC. GaN đặc biệt có giá trị trong các trạm gốc 5G, trong khi cả hai vật liệu đều được tìm thấy trong hệ thống vệ tinh và radar. 

Năng Lượng Tái Tạo: GaN và SiC đang tìm thấy vị trí của mình trong các hệ thống năng lượng bền vững do khả năng cải thiện hiệu quả và tính kinh tế của chúng trong chuyển đổi năng lượng tái tạo và hệ thống quản lý.Tiến bộ Công nghệ GaN và SiC

Thị trường bán dẫn GaN và SiC đang chứng kiến sự cạnh tranh khốc liệt khi các tập đoàn lớn và các startup sáng tạo cùng nhau tranh giành ưu thế bằng việc đầu tư mạnh mẽ vào nghiên cứu và phát triển. 

Những cải tiến liên tục trong quy trình sản xuất — như kỹ thuật tăng trưởng tinh thể và công nghệ đóng gói tiên tiến — đang nâng cao hiệu suất và cải thiện tỷ lệ sản phẩm đạt yêu cầu. Khi việc sản xuất GaN và SiC trở nên hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn, những rào cản đối với các công nghệ này đang được hạ thấp để sử dụng rộng rãi hơn trong các ngành công nghiệp. 

Thách thức và Hạn chế của GaN và SiC

Dù có triển vọng tích cực về lâu dài, thị trường GaN và SiC đang đối mặt với một số thách thức, bao gồm: 

Chi phí Sản xuất Cao:Quy trình sản xuất thiết bị GaN và SiC đòi hỏi thiết bị chuyên dụng, kỹ thuật tăng trưởng tinh thể phức tạp, và các biện pháp kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt. Hiện nay, điều này có nghĩa là chi phí sản xuất cao. Những chi phí cao này hạn chế khả năng mở rộng sản xuất và có thể dẫn đến sản phẩm cuối cùng tương đối đắt đỏ, khiến một số giải pháp GaN và SiC kém cạnh tranh hơn so với các lựa chọn dựa trên silicon truyền thống.

Tuy nhiên, cuộc cạnh tranh cho thị trường lợi nhuận này đang thúc đẩy cuộc đua nhằm đạt được sự ngang bằng về chi phí với các bán dẫn dựa trên silicon truyền thống. Ví dụ, Infineon gần đây đã công bố một bước đột phá trong công nghệ GaN có thể giảm đáng kể giá của các thiết bị GaN và giúp công ty chiếm lĩnh một phần lớn của thị trường. Trong thông báo, Jochen Hanebeck, CEO của Infineon, nói, “Chúng tôi kỳ vọng rằng giá thị trường của các chip GaN sẽ tiệm cận với giá của silicon trong những năm tới.” 

Khả năng Cung cấp Hạn chế của Các Substrate Chất lượng Cao: GaN và SiC đòi hỏi các substrate chuyên biệt cho sự tăng trưởng tinh thể, và nguồn cung của các substrate này có thể bị hạn chế bởi các yếu tố như công suất sản xuất và chất lượng vật liệu. Khả năng cung cấp hạn chế substrate có thể dẫn đến gián đoạn chuỗi cung ứng, tăng chi phí sản xuất và trì hoãn phát triển sản phẩm.

Cạnh tranh về Substrate: Cạnh tranh cho substrate giữa các ngành công nghiệp khác nhau đang làm tình hình trở nên tồi tệ hơn, đôi khi cản trở khả năng mở rộng quy mô sản xuất thiết bị GaN và SiC và ngăn cản việc áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng khác nhau.

Một bài viết gần đây của McKinsey về việc quản lý sự không chắc chắn trong thị trường wafer SiC đi sâu vào cách ngành công nghiệp wafer SiC đối mặt với những hạn chế lớn về chuỗi cung ứng. McKinsey cho biết những thách thức này cần được quản lý một cách chủ động thông qua việc lập kế hoạch cải thiện, đa dạng hóa và đầu tư để đáp ứng sự tăng trưởng nhu cầu dự báo.

Hiện thực hóa Tiềm năng của GaN và SiC

Tương lai của các bán dẫn GaN và SiC đang rất hứa hẹn. Với xe điện (EVs), hệ thống năng lượng tái tạo, và các thiết bị điện tử tiêu dùng thế hệ mới đang đẩy giới hạn của những gì có thể thực hiện, các vật liệu băng thông rộng đang sẵn sàng chiếm lĩnh sân khấu trung tâm. 

Khi các nhà sản xuất tiến bộ trong việc cải thiện phương pháp sản xuất, chi phí đang giảm xuống và việc áp dụng trên các ngành công nghiệp đang tăng lên. Thách thức của ngành công nghiệp? Giữ kịp với nhu cầu có thể tăng vọt trong khi vượt qua các rào cản như chi phí sản xuất cao và sự khan hiếm của bề mặt nền.

Cuộc đua để thu hẹp khoảng cách với silicon truyền thống đang nóng lên, và chúng ta đang thấy các gã khổng lồ trong ngành như Infineon đạt được những bước đột phá đáng kể. Khi sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu, nhà sản xuất, và người dùng cuối ngày càng phát triển và đạt được đà, tiềm năng đầy đủ của những công nghệ này đang ngày càng đến gần hơn.