GaN和SiC，是共存还是替代？

如今，追求功率密度和效率是当今众多行业创新的最大动力，包括数据中心、可再生能源、消费电子产品、电动汽车和自动驾驶汽车等。而在宽带隙（WBG）材料行业，目前有两种主要材料平台——GaN（氮化镓）和SiC（碳化硅），它们是推动功率半导体创新的“法宝”，正在彻底改变日益增长的巨大电力需求的电力电子行业。

事实上，一些SiC头部公司也在对GaN虎视眈眈。今年3月，英飞凌以8.3亿美元现金收购加拿大氮化镓初创公司GaN Systems；罗姆在前不久的PCIM Asia上展示了最新的碳化硅与氮化镓新品，尤其是EcoGaN品牌的GaN HEMT器件。当然，反向操作的也有，2022年8月此前专攻GaN的纳微半导体（Navitas Semiconductor）收购GeneSiC，成为唯一专注下一代功率半导体组合的公司。

的确，GaN和SiC在性能和应用场景方面有一些重合，人们也一直在从系统角度评估这两种材料的应用潜力。当然，研发不同产品的厂商会有不同的观点，但不管怎样，都需要从发展趋势、材料成本、性能和设计机会等几个方面对它们进行评估。

GaN满足电力电子行业发展三大关键趋势

不像其他被收购的公司的老板那样，GaN Systems的CEO Jim Witham没有退居幕后，仍不时在公开场合露面。

他最近表示，GaN功率半导体的重要性在于，它有助于电源系统设计师和制造商满足正在彻底改变电力电子行业的三个关键大趋势的需求，而在每一个趋势中，GaN都将发挥至关重要的作用。

首先是能源效率，预计到2050年，全球电力需求将激增超过50%，优化能源使用效率和加快向可再生能源过渡已成为当务之急。转变的重点正在从能源效率扩展到更具挑战性的能源独立和与主流电网的更新整合。GaN有助于能源和存储等领域节约能源。使用GaN的太阳能微逆变器可产生更多电能；AC-DC和逆变器可减少电池存储系统中浪费的50%电能。

在电气化方面，电动汽车一直是交通电气化的焦点。事实上，在全球范围内，特别是亚洲一些人口最稠密的城市地区，两轮和三轮运输模式，如自行车、摩托车和人力车也在向电动化迈进。在这些市场使用GaN功率晶体管的优势将继续增长，因此GaN的效率对生活质量和环境的影响将变得至关重要。

数字世界也在经历一场巨大的变革，以满足数据的实时需求和人工智能（AI）的快速发展。目前数据中心的功率转换和配电技术已无法应对云和机器学习带来的需求增长，也无法应对耗电的AI应用。通过实现节能、降低冷却要求和提高成本效益，GaN正在重塑数据中心的电源格局。生成型AI和GaN之间的相互作用将为数据中心塑造一个更高效、可持续和稳健的未来。

作为一位商业领袖和深切关注全球环境的人，Jim Witham认为，随着GaN技术的空前进步，将为依赖电力的行业带来重大进展，并对全球经济产生重大影响。他认同一些市场机构的预测，GaN功率半导体未来五年的收入将达到60亿美元，并表示在GaN与SiC的竞争中，使用GaN有一些独到的好处和机会。

GaN与SiC竞争筹码几何？

以前，人们对GaN功率半导体有一些误解，认为GaN更适用于消费电子领域的充电应用。其实GaN和SiC的最大不同在于应用的电压，对于低电压和中电压要求，GaN的使用效果更好，而SiC主要用于大于1200V的高压应用，当然还要考虑电压、性能和成本等方面的要求。

例如GaN Systems在PCIM Europe 2023上展示的GaN解决方案就充分体现了功率密度和效率方面的进步。与SiC晶体管设计相比，基于GaN的11kW/800V车载充电器（OBC）参考设计功率密度提高了36%，材料成本低了15%。它还结合了用于无桥图腾柱PFC结构的三电平飞跨电容器拓扑结构和双有源桥，GaN晶体管可将晶体管电压应力降低50%。

在电动汽车OBC、DC-DC转换器及牵引逆变器三大应用中，GaN Systems与丰田合作开发了All-GaN-Car氮化镓电动汽车牵引逆变器原型设计，为美国电动汽车初创公司Canoo提供进入量产的OBC，还与纬湃科技合作开发了GaN DC-DC转换器，可同时用于400V及800V电动汽车动力系统，为汽车制造商带来了更多的选择。

在Jim Witham看来，目前一些依赖于SiC的客户将会很快转向GaN，原因有两个：材料有限和成本较高。为了跟上从数据中心到汽车等行业日益增长的电力需求，现在转向GaN将缩短以后从SiC转向GaN以赶上竞争对手的时间。

从供应链来看，与GaN相比，SiC更昂贵且有供应链限制。由于GaN是在硅晶圆上生产的，当销量上升时价格就会很快下降；随着时间的推移，可以很容易地预测GaN的价格与竞争力。相反，SiC的供应商数量相对较少，供应量有限，这意味着长达一年的交付周期会导致成本增加，可能无法满足2025年及以后汽车制造商的需求。

在生产方面，GaN是“无限”可扩展的，因为它是在与数十亿CMOS器件相同的硅晶圆上用相同的机器制造的。GaN很快就可以在8英寸、12英寸甚至15英寸晶圆上制造，而目前SiC MOSFET通常只能在4英寸、6英寸晶圆上制造，刚开始向8英寸碳化硅迁移。

技术性能方面，GaN是世界上最快的功率开关，并提供了比其他半导体器件更大的功率密度和更高的输出效率。这对消费者和企业来说都有很多好处，无论是更小的外形尺寸和更快的充电速度，还是降低数据中心的冷却成本和消耗的能源。

用GaN构建的系统比SiC具有更大的功率密度改善。随着GaN的应用，更小尺寸的新型电源系统产品正在出现，而SiC不能用来创建像GaN这样小的系统。GaN Systems称，其第一代器件的性能已优于最近的第五代SiC半导体器件。随着GaN性能在短期内5-10倍的增长，这一性能差距也将继续扩大。

此外，由于GaN器件具有低栅极电荷、零反向恢复和平坦输出电容等优点，能够实现产生高质量的开关性能。对于低于1200V的中低压应用，GaN的开关损耗至少比SiC少3倍。从工作频率角度来看，目前大多数基于硅的设计都在60kHz到300kHz之间，SiC对频率有一点改进，但GaN的改进更多，要达到500kHz或更高的频率。

由于SiC通常用于1200V及更高电压，只有部分产品可用于650V，因此限制了解决方案的设计用途，难以在30-40V的消费电子产品、48V混合动力汽车和数据中心等重要市场中发挥作用。而GaN在上述电压水平具有卓越的能力，在数据中心、消费电子、可再生能源、汽车和工业等关键领域大有用武之地。

为了让工程师对GaN FET（场效应晶体管）与SiC的性能有一个很好的了解，GaN Systems设计了两种使用SiC和GaN的650V、15A开关电源，进行了一对一的比较。

通过比较GaN-E-HEMT（增强型HEMT）与竞争的最佳SiC MOSFET的快速开关器件的特性发现，当用于同步降压DC-DC转换器应用时，使用GaN E-HEMT的转换器表现出比使用SiC MOSFET的转换器高得多的效率。比较结果清楚地表明，GaN E-HEMT在开关速度、寄生电容、开关损耗和热特性方面均超过了最佳的SiC MOSFET的性能。此外，与SiC相比，GaN-E-HEMT有助于构建更紧凑、更高效的功率转换器设计。

GaN“有条件”打败SiC？

现在，传统的硅技术早已达到极限，无法提供GaN所能提供的所有好处，而SiC也囿于其适用范围。所谓“有条件”是指上面提到的应用范围，在全球工业越来越依赖电力的情况下，利用GaN可以改善当前的产品供应，同时创造创新解决方案以保持竞争力。

随着GaN功率半导体从早期采用过渡到大规模生产，对企业决策者来说，最重要的是GaN功率半导体提供了更高水平的整体性能，有助于客户提高自己的市场份额和盈利能力，降低运营成本和资本支出。

9月份，英飞凌/GaN Systems推出了全新第四代氮化镓平台（Gen 4 GaN Power Platform），从2022年的3.2kW AI服务器电源到现在的第四代平台，不仅效率超过了80 Plus钛金级能效标准，功率密度也从100W/in3提升至120W/in3。它不仅在能源效率及尺寸上确立了新的标竿，更提供了显著优异的性能。

总结一下，SiC公司收购GaN也好，GaN公司收购SiC也罢，都是为了面向更广阔的市场和应用。毕竟是两种WBG材料，之后还会有氧化镓（Ga2O3）和锑化物等为代表的第四代半导体材料，谁都替代不了谁！