GaN i SiC - rosnący potencjał w układach mocy

Półprzewodnikowe elementy mocy z azotku galu (GaN) i węglika krzemu (SiC), z uwagi na wyższą wydajność i prędkość działania, przedstawiane są jako alternatywa tradycyjnych tranzystorów MOSFET i IGBT. Jednak mimo że są dostępne na rynku od kilkunastu lat, dotychczas nie były w stanie zagrozić komponentom krzemowym, oczywiście z uwagi na wysokie ceny. Zdaniem analityków sytuacja ulega poprawie, a szereg czynników na rynku obecnie działa na korzyść elementów mocy z GaN i SiC.

Posłuchaj
00:00

Szybko rozwijająca się elektronika powoduje, że coraz częściej w elementach krzemowych zbliżamy się do granicy możliwości tego materiału w zakresie wydajności i parametrów. W przypadku takich zastosowań, jak np. zasilanie bezprzewodowe lub radary optyczne, elementy oparte na krzemie są za mało wydajne, co otwiera rynek na elementy z SiC i GaN. Ceny tych elementów cały czas maleją, dzięki bardziej wydajnym metodom wytwarzania oraz inwestycjom w rozbudowę łańcucha dostaw.

Wzrost zainteresowania elementami z GaN ze strony rynków elektroniki konsumenckiej, centrów danych, rynku motoryzacyjnego czy energetyki przekłada się na optymistyczne prognozy: w okresie od 2017 do 2022 rynek elementów mocy GaN będzie wzrastał w tempie aż 79% rocznie, aż do obrotów 460 mln dol. Prognozy dotyczące rynku SiC są jeszcze bardziej optymistyczne, gdzie całkowita wartość obrotów w 2022 roku ma szansę przebić 1 mld dolarów. Mimo że są to sumy nadal nieduże w porównaniu z całkowitym rynkiem półprzewodników mocy, wycenianym na ok. 30 mld, niemniej jest to znak, że technologia jest już gotowa na szersze zastosowanie.

Rys. 1. Prognoza rozwoju rynku półprzewodników GaN do 2022 i temperatury niż tradycyjnych roku wg Yole

Jeszcze do niedawna podzespoły oparte na GaN i SiC oferowało tylko kilka firm, jak Efficient Power Conversion (EPC), NXP, GaN Systems, Cree, Infineon oraz Transphorm. Mała liczba producentów jest jednym z czynników blokujących rozwój rynku, jednak należy się spodziewać, że wraz ze wzrostem popytu więcej graczy z sektora półprzewodników mocy zdecyduje się wejść w ten segment. Takie zjawiska już widać - tylko w 2017 roku liczba dostawców układów SiC MOSFET podwoiła się w porównaniu z rokiem poprzedzającym.

Rynek gotowy na nowe technologie

Podzespoły GaN i SiC mogą działać w wyższych zakresach napięć i mają niższe prądy upływu. Dla klientów główne zalety to przede wszystkim wysoka sprawność i praca w wyższych zakresach częstotliwości, mocy i temperatury niż tradycyjnych półprzewodników, mniejsze wymiary dla równoważnej obciążalności i wyższa temperatura dopuszczalna.

Mimo że technologie MOSFET i IGBT dochodzą do limitu swoich możliwości, ich dominacja na rynku jest nadal faktem. Elementy te są tańsze, szerzej dostępne i w przypadku większości zastosowań oferują wystarczające parametry pracy. Niemniej, ograniczenia w zakresie częstotliwości pracy, rozmiarze czy wydajności stają się coraz bardziej odczuwalne. Jest też mało prawdopodobne, że w tej technologii w najbliższych latach uda się dokonać przełomu na miarę rosnących oczekiwań klientów. Użycie alternatywnych technologii jest więc nieuniknione.

Rys. 2. Relacje na rynku GaN: firmy, powiązania, kamienie milowe technologii

Różnice pomiędzy SiC i GaN sprawiają, że elementy te pozycjonowane są w różnych segmentach. Właściwie konkurują ze sobą bezpośrednio tylko w zakresie aplikacji średniej mocy, jak falowniki do instalacji fotowoltaicznych czy systemy zasilania samochodów elektrycznych i hybrydowych. GaN z uwagi na niższą cenę znajdują zastosowanie przede wszystkim w aplikacjach o niskiej lub średniej mocy, jak zasilacze elektroniki użytkowej, układy PFC (Power Factor Correction) czy wzmacniacze audio. Z uwagi na obawy co do trwałości tych elementów dopiero w dalszej kolejności będą one montowane w aplikacjach automatyki przemysłowej czy motoryzacji. Elementy SiC natomiast dobrze sprawdzą się z zakresie wyższych mocy i napięć, takich jak automatyka, energetyka, samochody elektryczne lub energetyka wiatrowa.

Cena ważnym kryterium

Mimo zalet SiC i GaN, przeszkodą do szerszego wykorzystania była dotychczas wysoka cena, wynikająca głównej mierze z trudnego i niestabilnego procesu technologicznego. Dla wielu potencjalnych odbiorców bariera cenowa jest silniejszym czynnikiem niż potencjalne korzyści z szybkości działania i sprawności energetycznej.

Na wysokie koszty składa się przede wszystkim niska wydajność produkcji. Podłoża GaN i SiC są dużo droższe niż krzemowe i dostępne głównie w wymiarze 6 cali, a maszyny technologiczne nadal zapewniają stosunkowo niski uzysk.

Ostatnie lata to przede wszystkim okres intensywnych działań badawczo-rozwojowych w celu ulepszenia architektury układów GaN i poprawy technologii produkcji. W celu obniżenia kosztów tranzystory GaN wytwarza się na podłożu krzemowym, jednak rozwiązanie to ma swoje wady. Problemem jest duża liczba defektów w takim materiale oraz niska przewodność cieplna i awaryjność. Na szczęście niewielkim ułatwieniem jest fakt, że większość procesów i ich sekwencja jest podobna do technologii produkcji krzemu, czyli metody osadzania powłok z fazy gazowej, wytrawianie czy planaryzacja chemiczno-mechaniczna. Należy jednak dostosować je do specyfiki materiałów SiC i GaN, więc prace rozwojowe obejmują również sprzęt i wyposażenie produkcyjne.

Starania te przynoszą już efekty. Według przewidywań analityków z firmy IHS, w ostatnich latach ceny elementów na bazie SiC udało się obniżyć o kilkadziesiąt procent, a tranzystory GaN o napięciach do 600 V zrównają się w cenie z krzemowymi odpowiednikami najpóźniej w 2019 r.

Jacek Dębowski

Powiązane treści
Urządzenia konsumenckie otworzą elektronikę na GaN
Tranzystory SiC wychodzą z rynkowej niszy do mainstreamu
STMicroelectronics stawia na węglik krzemu
Półprzewodniki mocy - czy w 2018 roku będzie kolejny rekord sprzedaży?
Konkurencyjność cenowa zdecyduje o przyszłości rynku podzespołów z SiC i GaN
Chiński rynek półprzewodników mocy rośnie o 13%
ST kupuje dostawcę płytek SiC
Podzespoły RF z GaN i SiC kluczowymi komponentami dla sieci 5G
Rynek Power IC - wartościowy i perspektywiczny
Cree zainwestuje 1 mld dolarów w fabrykę półprzewodników SiC
Tainergy rozpocznie produkcję płytek SiC
Zobacz więcej w kategorii: Gospodarka
Produkcja elektroniki
Problemy z dostawami zwiększyły zagrożenie podróbkami
Komponenty
Chiny prezentują największy na świecie superkomputer inspirowany mózgiem małpy
Aktualności
Elektronik zaprasza na wrześniowe targi
Produkcja elektroniki
Rynek zaawansowanych opakowań półprzewodników sięgnie blisko 80 mld dolarów
Optoelektronika
San'an i Inari przejmują Lumileds
Zasilanie
Nowy standard realme w zakresie trwałości baterii - 1400 cykli do 2027 roku
Zobacz więcej z tagiem: Produkcja elektroniki
Gospodarka
Problemy z dostawami zwiększyły zagrożenie podróbkami
Gospodarka
Rynek zaawansowanych opakowań półprzewodników sięgnie blisko 80 mld dolarów
Gospodarka
Scanfil przejął MB Elettronica

Komponenty indukcyjne

Podzespoły indukcyjne determinują osiągi urządzeń z zakresu konwersji mocy, a więc dążenie do minimalizacji strat energii, ułatwiają miniaturyzację urządzeń, a także zapewniają zgodność z wymaganiami norm w zakresie EMC. Stąd rozwój elektromobilności, systemów energii odnawialnej, elektroniki użytkowej sprzyja znacząco temu segmentowi rynku. Zapotrzebowanie na komponenty o wysokiej jakości i stabilności płynie ponadto z aplikacji IT, telekomunikacji, energoelektroniki i oczywiście sektorów specjalnych: wojska, lotnictwa. Pozytywnym zauważalnym zjawiskiem w branży jest powolny, ale stały wzrost zainteresowania klientów rodzimą produkcją pomimo wyższych cen niż produktów azjatyckich. Natomiast paradoksalnie negatywnym zjawiskiem jest fakt, że jakość produktów azjatyckich jest coraz lepsza i jeśli stereotyp "chińskiej bylejakości" przestanie być popularny, to rodzima produkcja będzie miała problem z utrzymaniem się na rynku bez znaczących inwestycji w automatyzację i nowe technologie wykonania, kontroli jakości i pomiarów.
Zapytania ofertowe
Unikalny branżowy system komunikacji B2B Znajdź produkty i usługi, których potrzebujesz Katalog ponad 7000 firm i 60 tys. produktów