過去幾十年里，硅(Si)基技術(shù)一直在主導(dǎo)著半導(dǎo)體行業(yè)。然而，最近幾年，市場上出現(xiàn)了向更先進(jìn)材料轉(zhuǎn)變的跡象，如向氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)轉(zhuǎn)變。如今，GaN和SiC在性能和效率方面實(shí)現(xiàn)了重大飛躍，這些進(jìn)步正在改變從消費(fèi)電子到工業(yè)電力系統(tǒng)的多個(gè)領(lǐng)域。SGresmc

與此同時(shí)，采購部門也需要考慮這些材料的成本、質(zhì)量和可用性等問題，GaN和SiC半導(dǎo)體目前正面臨價(jià)格昂貴、缺陷密度高、材料供應(yīng)鏈?zhǔn)芟薜入y題，半導(dǎo)體制造商正在積極解決這些問題。SGresmc

寬禁帶半導(dǎo)體的技術(shù)優(yōu)勢

GaN和SiC的特性使其優(yōu)于傳統(tǒng)硅(Si)，比如它們具有更寬的帶隙，這意味著有更高的擊穿電壓、更出色的熱穩(wěn)定性、更穩(wěn)定的可靠性，而且在高頻率和高功率下的工作效率也更高。這些特性使其在電力電子設(shè)備應(yīng)用中有突出的表現(xiàn)，其中在變頻器和可再生能源系統(tǒng)中尤其具有優(yōu)勢，因?yàn)閷@些設(shè)備而言，高效率和熱管理的作用極為關(guān)鍵。SGresmc

一方面，因?yàn)镚aN具有高電子遷移率特性，所以它非常適合高頻應(yīng)用。GaN能帶來更快的開關(guān)速度、更低的能量損耗和更小的器件尺寸，這些特性使得它在微波應(yīng)用中特別具備吸引力，例如5G電信和雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用。SGresmc

另一方面，SiC在高電壓和高溫下的堅(jiān)固性特點(diǎn)，助其成為大功率應(yīng)用的首選半導(dǎo)體材料，這些應(yīng)用包括電動汽車(EV)動力系統(tǒng)、可再生能源系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)械等。SGresmc

現(xiàn)在，有許多市場力量在推動向GaN和SiC的轉(zhuǎn)變，各行業(yè)都在強(qiáng)調(diào)要滿足嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)，以及追求進(jìn)一步降低運(yùn)營成本，行業(yè)對高能效解決方案有非常大的需求。而在相同或相似的電力轉(zhuǎn)換任務(wù)中，使用GaN和SiC器件的設(shè)備相比使用傳統(tǒng)材料設(shè)備的能耗更低，這對于注重可持續(xù)發(fā)展的行業(yè)而言，是一個(gè)極具吸引力的選擇。SGresmc

電動汽車就是這種轉(zhuǎn)變的典型例子。SiC能夠在高溫、高壓下工作的特性，使得采用SiC器件的電力電子設(shè)備更高效，不僅可以延長汽車的續(xù)航里程，還能縮短動力電池的充電時(shí)間。如今，汽車制造商和供應(yīng)商已經(jīng)注意到這些優(yōu)勢，并越來越多地將基于SiC的器件集成到他們的設(shè)計(jì)中。SGresmc

同樣地，GaN在高頻應(yīng)用中的卓越表現(xiàn)，也促進(jìn)了其在電信領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)程。5G網(wǎng)絡(luò)的部署對功率器件提出高頻、高壓，高效率的要求，氮化鎵半導(dǎo)體能在高頻率和高電壓下工作，正在成為支持下一代無線通信的基礎(chǔ)設(shè)施的不可或缺的部分。SGresmc

其他進(jìn)展還包括在GaN和SiC襯底開發(fā)中引入“納米顆粒”。“納米顆粒”是一種微小的顆粒，大小通常在1到100納米之間，因其晶體結(jié)構(gòu)也被稱為“納米晶體”。它是一種成本效益高的解決方案，能夠用來生產(chǎn)各種經(jīng)濟(jì)型的設(shè)備，比如燃料電池和太陽能電池。與塊狀材料相比，納米顆粒有更高的表面積和體積比，能顯著提高設(shè)備的性能。SGresmc

這一特性提升了能源應(yīng)用的效率，減少了對材料的消耗。在醫(yī)療保健領(lǐng)域，“納米顆粒”技術(shù)為藥物輸送和診斷系統(tǒng)帶來了卓越的功能。因此，“納米顆粒”技術(shù)可推動多個(gè)領(lǐng)域的降成本和提性能工作。SGresmc

對制造和采購的影響

盡管GaN和SiC半導(dǎo)體具有諸多優(yōu)勢，但是它們也面臨著一些挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的硅基材料相比，GaN和SiC材料的制造工藝更加復(fù)雜，對一致性的要求也更高——其基板的可用性、缺陷密度和外延生長技術(shù)對于持續(xù)的研發(fā)至關(guān)重要。SGresmc

成本高昂是主要的采購問題，GaN和SiC的生產(chǎn)成本明顯高于Si，主要是由其生長工藝的復(fù)雜性決定的。例如，高質(zhì)量GaN和SiC所需的外延生長涉及先進(jìn)的技術(shù)，而這些技術(shù)比Si所使用的技術(shù)成本更高。SGresmc

此外，現(xiàn)在大尺寸晶圓的供應(yīng)有限，這不僅會增加先進(jìn)半導(dǎo)體的使用成本，還會影響制造工藝的可擴(kuò)展性。同時(shí)，還可能會阻礙一些行業(yè)采用GaN和SiC，特別是那些利潤微薄的行業(yè)。SGresmc

供應(yīng)鏈和質(zhì)量控制也帶來了額外的挑戰(zhàn)。GaN和SiC還處于起步階段，這意味著能夠持續(xù)生產(chǎn)高質(zhì)量材料的供應(yīng)商比較少，可能會導(dǎo)致產(chǎn)能瓶頸和交付周期的延長，使得依賴這些組件的公司的規(guī)劃和生產(chǎn)計(jì)劃更復(fù)雜。SGresmc

此外，確保設(shè)備的可靠性和靈敏度需要采取嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施。由于這些材料缺陷密度較高，但對雜質(zhì)又很敏感，其生產(chǎn)需要經(jīng)過嚴(yán)格的測試和驗(yàn)證過程，從而也增加了整體采購的復(fù)雜性。SGresmc

所幸的是，業(yè)界在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)方面取得了重大進(jìn)展。在批量生產(chǎn)、外延生長和器件制造方面取得的進(jìn)步穩(wěn)步降低了成本，并提高了氮化鎵和碳化硅器件的質(zhì)量。此外，隨著規(guī)模經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)，GaN/SiC與Si的價(jià)格差距有望縮小，未來寬帶隙半導(dǎo)體將更容易獲得。SGresmc

氮化鎵和碳化硅的發(fā)展前景一片光明。隨著對能效的持續(xù)追求，加上電動汽車和電信等行業(yè)需求激增，很可能會加速對這些先進(jìn)材料的應(yīng)用。從半導(dǎo)體制造商到最終用戶/終端用戶行業(yè)的利益相關(guān)者，都越來越意識到GaN和SiC的價(jià)值。SGresmc

將GaN和SiC納入供應(yīng)鏈

總之，向GaN和SiC的轉(zhuǎn)變對半導(dǎo)體行業(yè)意義重大。它們所具有的優(yōu)越電氣性能，以及對高效、高性能電子設(shè)備日益增長的需求推動了這一轉(zhuǎn)變。雖然挑戰(zhàn)依然存在，但技術(shù)進(jìn)步和明確的市場需求表明，GaN和SiC將在未來的半導(dǎo)體技術(shù)中占據(jù)重要地位。SGresmc

本文翻譯自《國際電子商情》姊妹平臺EPSNews，原文標(biāo)題：Supply Chain Considerations for GaN & SiCSGresmc