GaN และ SiC: การอยู่ร่วมกันหรือการทดแทน?

การผลักดันให้มีความหนาแน่นและประสิทธิภาพของพลังงานที่สูงขึ้นได้กลายเป็นตัวขับเคลื่อนหลักของนวัตกรรมในหลายอุตสาหกรรม รวมถึงศูนย์ข้อมูล พลังงานหมุนเวียน เครื่องใช้ไฟฟ้า ยานพาหนะไฟฟ้า และเทคโนโลยีการขับขี่อัตโนมัติ ในขอบเขตของวัสดุแถบความถี่กว้าง (WBG) ปัจจุบันแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นแพลตฟอร์มหลักสองแพลตฟอร์ม ซึ่งถูกมองว่าเป็นเครื่องมือสำคัญที่เป็นผู้นำนวัตกรรมเซมิคอนดักเตอร์กำลัง วัสดุเหล่านี้กำลังเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์กำลังอย่างลึกซึ้ง เพื่อตอบสนองความต้องการพลังงานที่เพิ่มมากขึ้น

ในความเป็นจริง บริษัทชั้นนำในอุตสาหกรรม SiC บางแห่งก็กำลังสำรวจเทคโนโลยี GaN อย่างจริงจังเช่นกัน ในเดือนมีนาคมของปีนี้ Infineon ได้เข้าซื้อ GaN Systems สตาร์ทอัพของ GaN ของแคนาดาด้วยเงินสด 830 ล้านดอลลาร์ ในทำนองเดียวกัน ROHM เพิ่งจัดแสดงผลิตภัณฑ์ SiC และ GaN ล่าสุดที่ PCIM Asia โดยเน้นเป็นพิเศษที่อุปกรณ์ GaN HEMT ของแบรนด์ EcoGaN ในทางกลับกัน ในเดือนสิงหาคม 2022 Navitas Semiconductor ซึ่งเดิมมุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยี GaN ได้เข้าซื้อกิจการ GeneSiC และกลายเป็นบริษัทเดียวที่ทุ่มเทให้กับกลุ่มผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังรุ่นต่อไป

แท้จริงแล้ว GaN และ SiC มีการทับซ้อนกันในด้านประสิทธิภาพและสถานการณ์การใช้งาน ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องประเมินศักยภาพการใช้งานของวัสดุทั้งสองนี้จากมุมมองของระบบ แม้ว่าผู้ผลิตหลายรายอาจมีมุมมองของตนเองในระหว่างกระบวนการ R&D แต่การประเมินอย่างครอบคลุมจากหลายแง่มุมก็เป็นสิ่งสำคัญ รวมถึงแนวโน้มการพัฒนา ต้นทุนวัสดุ ประสิทธิภาพ และโอกาสในการออกแบบ

แนวโน้มสำคัญในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ GaN ตรงตามคืออะไร

Jim Witham ซีอีโอของ GaN Systems ไม่ได้เลือกที่จะถอยกลับเหมือนผู้บริหารคนอื่นๆ ของบริษัทที่ถูกซื้อกิจการ แต่เขายังคงปรากฏตัวต่อสาธารณะอยู่บ่อยครั้ง เมื่อเร็ว ๆ นี้เขาได้เน้นย้ำถึงความสำคัญของเซมิคอนดักเตอร์กำลังของ GaN โดยสังเกตว่าเทคโนโลยีนี้จะช่วยให้นักออกแบบและผู้ผลิตระบบไฟฟ้าสามารถจัดการกับแนวโน้มหลักสามประการที่กำลังเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์กำลังโดย GaN มีบทบาทสำคัญในแต่ละแนวโน้ม

Jim Witham ซีอีโอของ GaN Systems

ประการแรก ปัญหาเรื่องประสิทธิภาพการใช้พลังงาน มีการคาดการณ์ว่าความต้องการพลังงานทั่วโลกจะเพิ่มขึ้นมากกว่า 50% ภายในปี 2593 ทำให้มีความจำเป็นที่จะต้องเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานและเร่งการเปลี่ยนผ่านไปสู่พลังงานหมุนเวียน การเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันไม่เพียงแต่มุ่งเน้นไปที่ประสิทธิภาพการใช้พลังงานเท่านั้น แต่ยังขยายไปสู่แง่มุมที่ท้าทายมากขึ้น เช่น ความเป็นอิสระด้านพลังงาน และการบูรณาการเข้ากับโครงข่ายไฟฟ้ากระแสหลัก เทคโนโลยี GaN นำเสนอข้อได้เปรียบในการประหยัดพลังงานอย่างมากในการใช้งานด้านพลังงานและการจัดเก็บ ตัวอย่างเช่น ไมโครอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้ GaN สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้น แอปพลิเคชันของ GaN ในการแปลง AC-DC และอินเวอร์เตอร์สามารถลดการสิ้นเปลืองพลังงานในระบบจัดเก็บแบตเตอรี่ได้มากถึง 50%

ประการที่สอง กระบวนการใช้พลังงานไฟฟ้าโดยเฉพาะในภาคการขนส่ง ยานพาหนะไฟฟ้าเป็นจุดสนใจของเทรนด์นี้มาโดยตลอด อย่างไรก็ตาม การใช้พลังงานไฟฟ้ากำลังขยายไปสู่การขนส่งแบบสองล้อและสามล้อ (เช่น จักรยาน รถจักรยานยนต์ และรถลาก) ในเขตเมืองที่มีประชากรหนาแน่น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเอเชีย เมื่อตลาดเหล่านี้เติบโตเต็มที่ ข้อดีของทรานซิสเตอร์กำลัง GaN จะโดดเด่นยิ่งขึ้น และ GaN จะมีบทบาทสำคัญในการปรับปรุงคุณภาพชีวิตและการปกป้องสิ่งแวดล้อม

สุดท้ายนี้ โลกดิจิทัลกำลังเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่เพื่อตอบสนองความต้องการข้อมูลแบบเรียลไทม์และการพัฒนาปัญญาประดิษฐ์ (AI) อย่างรวดเร็ว เทคโนโลยีการแปลงและกระจายพลังงานในปัจจุบันในศูนย์ข้อมูลไม่สามารถทันกับความต้องการที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจากการประมวลผลแบบคลาวด์และการเรียนรู้ของเครื่องจักร โดยเฉพาะอย่างยิ่งแอปพลิเคชัน AI ที่ต้องการพลังงาน ด้วยการบรรลุการประหยัดพลังงาน ลดความต้องการการทำความเย็น และเพิ่มประสิทธิภาพด้านต้นทุน เทคโนโลยี GaN กำลังปรับโฉมภูมิทัศน์การจ่ายไฟของศูนย์ข้อมูล การผสมผสานระหว่าง generative AI และเทคโนโลยี GaN จะสร้างอนาคตที่มีประสิทธิภาพ ยั่งยืน และแข็งแกร่งยิ่งขึ้นสำหรับศูนย์ข้อมูล

ในฐานะผู้นำธุรกิจและผู้สนับสนุนด้านสิ่งแวดล้อมอย่างแข็งขัน Jim Witham เชื่อว่าความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยี GaN จะส่งผลกระทบต่ออุตสาหกรรมที่ต้องพึ่งพาพลังงานต่างๆ อย่างมาก และมีผลกระทบอย่างลึกซึ้งต่อเศรษฐกิจโลก นอกจากนี้เขายังเห็นด้วยกับการคาดการณ์ของตลาดว่ารายรับจากเซมิคอนดักเตอร์พลังงานของ GaN จะสูงถึง 6 พันล้านดอลลาร์ภายในห้าปีข้างหน้า โดยสังเกตว่าเทคโนโลยี GaN มอบข้อได้เปรียบและโอกาสที่ไม่เหมือนใครในการแข่งขันกับ SiC

GaN เปรียบเทียบกับ SiC ในแง่ของความได้เปรียบทางการแข่งขันอย่างไร

ในอดีต มีความเข้าใจผิดบางประการเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์กำลัง GaN โดยหลายคนเชื่อว่าเหมาะสำหรับการชาร์จแอปพลิเคชันในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคมากกว่า อย่างไรก็ตามความแตกต่างหลักระหว่าง GaN และ SiC อยู่ที่การใช้งานช่วงแรงดันไฟฟ้า GaN ทำงานได้ดีกว่าในการใช้งานแรงดันไฟฟ้าต่ำและปานกลาง ในขณะที่ SiC ส่วนใหญ่จะใช้กับการใช้งานไฟฟ้าแรงสูงเกิน 1200V อย่างไรก็ตาม การเลือกระหว่างวัสดุทั้งสองนี้เกี่ยวข้องกับการพิจารณาแรงดันไฟฟ้า ประสิทธิภาพ และปัจจัยด้านต้นทุน

ตัวอย่างเช่น ที่งานนิทรรศการ PCIM Europe ปี 2023 GaN Systems ได้จัดแสดงโซลูชัน GaN ที่แสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าที่สำคัญในด้านความหนาแน่นและประสิทธิภาพของพลังงาน เมื่อเปรียบเทียบกับการออกแบบทรานซิสเตอร์ SiC เครื่องชาร์จออนบอร์ด (OBC) ที่ใช้ GaN ขนาด 11kW/800V มีความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้น 36% และต้นทุนวัสดุลดลง 15% การออกแบบนี้ยังรวมโทโพโลยีตัวเก็บประจุแบบบินสามระดับในการกำหนดค่า PFC โทเท็มโพลแบบไร้บริดจ์และเทคโนโลยีดูอัลแอคทีฟบริดจ์ ซึ่งช่วยลดความเครียดแรงดันไฟฟ้าลง 50% โดยใช้ทรานซิสเตอร์ GaN

ในการใช้งานหลักสามประการของยานพาหนะไฟฟ้า ได้แก่ เครื่องชาร์จในตัว (OBC) ตัวแปลง DC-DC และอินเวอร์เตอร์ฉุดลาก GaN Systems ได้ร่วมมือกับ Toyota ในการพัฒนาต้นแบบรถยนต์แบบ GaN ทั้งหมด โดยจัดหาโซลูชัน OBC ที่พร้อมสำหรับการผลิตสำหรับสตาร์ทอัพ EV ในอเมริกา Canoo และร่วมมือกับ Vitesco Technologies เพื่อพัฒนาตัวแปลง GaN DC-DC สำหรับระบบไฟฟ้า EV 400V และ 800V ซึ่งเสนอทางเลือกมากขึ้นสำหรับผู้ผลิตรถยนต์

Jim Witham เชื่อว่าลูกค้าในปัจจุบันที่ต้องพึ่งพา SiC มีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนมาใช้ GaN อย่างรวดเร็วด้วยเหตุผลสองประการ: ความพร้อมใช้งานที่จำกัดและต้นทุนวัสดุที่สูง เนื่องจากความต้องการพลังงานเพิ่มขึ้นในอุตสาหกรรมต่างๆ ตั้งแต่ศูนย์ข้อมูลไปจนถึงยานยนต์ การเปลี่ยนไปใช้เทคโนโลยี GaN ตั้งแต่เนิ่นๆ จะช่วยให้องค์กรเหล่านี้ลดระยะเวลาที่จำเป็นในการตามทันคู่แข่งในอนาคตได้

จากมุมมองของห่วงโซ่อุปทาน SiC มีราคาแพงกว่าและเผชิญกับข้อจำกัดด้านอุปทานเมื่อเทียบกับ GaN เนื่องจาก GaN ผลิตบนเวเฟอร์ซิลิคอน ราคาจึงลดลงอย่างรวดเร็วตามความต้องการของตลาดที่เพิ่มขึ้น และสามารถคาดการณ์ราคาและความสามารถในการแข่งขันในอนาคตได้แม่นยำยิ่งขึ้น ในทางกลับกัน ซัพพลายเออร์ SiC ในจำนวนจำกัดและระยะเวลารอคอยสินค้าที่ยาวนาน ซึ่งโดยทั่วไปนานถึงหนึ่งปี อาจเพิ่มต้นทุนและส่งผลกระทบต่อความต้องการในการผลิตยานยนต์เกินปี 2025

ในแง่ของความสามารถในการปรับขนาด GaN เกือบจะสามารถปรับขนาดได้ "อนันต์" เนื่องจากสามารถผลิตบนเวเฟอร์ซิลิคอนโดยใช้อุปกรณ์เดียวกันกับอุปกรณ์ CMOS นับพันล้านชิ้น เร็วๆ นี้ GaN สามารถผลิตได้บนเวเฟอร์ขนาด 8 นิ้ว 12 นิ้ว และแม้แต่ 15 นิ้ว ในขณะที่ SiC MOSFET โดยทั่วไปแล้วจะผลิตบนเวเฟอร์ขนาด 4 นิ้วหรือ 6 นิ้ว และเพิ่งเริ่มเปลี่ยนไปใช้เวเฟอร์ขนาด 8 นิ้ว

ในแง่ของประสิทธิภาพทางเทคนิค ปัจจุบัน GaN เป็นอุปกรณ์สวิตชิ่งพลังงานที่เร็วที่สุดในโลก โดยมีความหนาแน่นของพลังงานและประสิทธิภาพเอาท์พุตสูงกว่าอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ สิ่งนี้นำมาซึ่งประโยชน์ที่สำคัญต่อผู้บริโภคและธุรกิจ ไม่ว่าจะในขนาดอุปกรณ์ที่เล็กกว่า ความเร็วในการชาร์จที่เร็วขึ้น หรือลดต้นทุนการทำความเย็นและการใช้พลังงานสำหรับศูนย์ข้อมูล GaN มีข้อดีมากมาย

ระบบที่สร้างด้วย GaN แสดงให้เห็นความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับ SiC เมื่อการยอมรับ GaN แพร่กระจาย ผลิตภัณฑ์ระบบไฟฟ้าใหม่ที่มีขนาดเล็กลงก็เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่ SiC ไม่สามารถบรรลุการย่อขนาดในระดับเดียวกันได้ จากข้อมูลของ GaN Systems ประสิทธิภาพของอุปกรณ์รุ่นแรกได้เหนือกว่าอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ SiC รุ่นที่ห้าล่าสุดแล้ว เนื่องจากประสิทธิภาพของ GaN เพิ่มขึ้น 5 ถึง 10 เท่าในระยะสั้น ช่องว่างด้านประสิทธิภาพนี้จึงคาดว่าจะกว้างขึ้น

นอกจากนี้ อุปกรณ์ GaN ยังมีข้อได้เปรียบที่สำคัญ เช่น ค่าเกตต่ำ การกู้คืนแบบย้อนกลับเป็นศูนย์ และความจุเอาท์พุตแบบแบน ทำให้ประสิทธิภาพการสลับคุณภาพสูง ในการใช้งานแรงดันไฟฟ้าปานกลางถึงต่ำที่ต่ำกว่า 1200V การสูญเสียการสลับของ GaN จะต่ำกว่า SiC อย่างน้อยสามเท่า จากมุมมองของความถี่ การออกแบบที่ใช้ซิลิคอนส่วนใหญ่ในปัจจุบันทำงานระหว่าง 60kHz ถึง 300kHz แม้ว่า SiC จะมีการปรับปรุงความถี่ แต่การปรับปรุงของ GaN ก็เด่นชัดมากขึ้น โดยบรรลุความถี่ 500kHz และสูงขึ้น

เนื่องจากโดยทั่วไปแล้ว SiC จะใช้กับแรงดันไฟฟ้า 1200V และสูงกว่าโดยมีผลิตภัณฑ์เพียงไม่กี่ตัวที่เหมาะกับ 650V การใช้งานจึงถูกจำกัดในการออกแบบบางอย่าง เช่น เครื่องใช้ไฟฟ้าสำหรับผู้บริโภค 30-40V รถยนต์ไฮบริด 48V และศูนย์ข้อมูล ซึ่งทั้งหมดนี้เป็นตลาดที่สำคัญ ดังนั้นบทบาทของ SiC ในตลาดเหล่านี้จึงมีจำกัด ในทางกลับกัน GaN มีความเป็นเลิศในระดับแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้ โดยมีส่วนสำคัญในศูนย์ข้อมูล เครื่องใช้ไฟฟ้า พลังงานหมุนเวียน ยานยนต์ และภาคอุตสาหกรรม

เพื่อช่วยให้วิศวกรเข้าใจความแตกต่างด้านประสิทธิภาพระหว่าง GaN FET (ทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็ก) และ SiC ได้ดีขึ้น GaN Systems ได้ออกแบบแหล่งจ่ายไฟ 650V, 15A สองตัวโดยใช้ SiC และ GaN ตามลำดับ และดำเนินการทดสอบเปรียบเทียบโดยละเอียด

การเปรียบเทียบ GaN กับ SiC แบบตัวต่อตัว

เมื่อเปรียบเทียบ GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Transistor) กับ SiC MOSFET ที่ดีที่สุดในระดับเดียวกันในแอปพลิเคชันสวิตชิ่งความเร็วสูง พบว่าเมื่อใช้กับตัวแปลง DC-DC แบบบั๊กซิงโครนัส ตัวแปลงที่มี GaN E- HEMT แสดงให้เห็นประสิทธิภาพที่สูงกว่า SiC MOSFET มาก การเปรียบเทียบนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่า GaN E-HEMT มีประสิทธิภาพเหนือกว่า SiC MOSFET อันดับต้นๆ ในการวัดที่สำคัญ เช่น ความเร็วการสลับ ความจุปรสิต การสูญเสียการสลับ และประสิทธิภาพการระบายความร้อน นอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับ SiC แล้ว GaN E-HEMT ยังแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบที่สำคัญในการออกแบบตัวแปลงพลังงานที่กะทัดรัดและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

เหตุใด GaN จึงมีประสิทธิภาพเหนือกว่า SiC ภายใต้เงื่อนไขบางประการ

ในปัจจุบัน เทคโนโลยีซิลิคอนแบบดั้งเดิมได้มาถึงขีดจำกัดแล้ว และไม่สามารถนำเสนอข้อได้เปรียบมากมายที่ GaN มีอยู่ได้ ในขณะที่แอปพลิเคชันของ SiC ถูกจำกัดไว้ตามสถานการณ์การใช้งานที่เฉพาะเจาะจง คำว่า "ภายใต้เงื่อนไขบางประการ" หมายถึงข้อจำกัดของวัสดุเหล่านี้ในการใช้งานเฉพาะ ในโลกที่พึ่งพาไฟฟ้ามากขึ้น GaN ไม่เพียงแต่ปรับปรุงการจัดหาผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่ แต่ยังสร้างโซลูชันที่เป็นนวัตกรรมที่ช่วยให้ธุรกิจสามารถแข่งขันได้

เนื่องจากเซมิคอนดักเตอร์กำลังของ GaN เปลี่ยนจากการนำมาใช้ตั้งแต่เนิ่นๆ ไปสู่การผลิตจำนวนมาก ภารกิจหลักสำหรับผู้มีอำนาจตัดสินใจทางธุรกิจคือการรับรู้ว่าเซมิคอนดักเตอร์กำลังของ GaN สามารถให้ประสิทธิภาพโดยรวมในระดับที่สูงขึ้นได้ สิ่งนี้ไม่เพียงแต่ช่วยให้ลูกค้าเพิ่มส่วนแบ่งการตลาดและความสามารถในการทำกำไร แต่ยังช่วยลดต้นทุนการดำเนินงานและรายจ่ายฝ่ายทุนได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกด้วย

ในเดือนกันยายนของปีนี้ Infineon และ GaN Systems ร่วมกันเปิดตัวแพลตฟอร์ม Gallium Nitride รุ่นที่สี่ใหม่ (Gen 4 GaN Power Platform) ตั้งแต่แหล่งจ่ายไฟเซิร์ฟเวอร์ AI ขนาด 3.2kW ในปี 2022 ไปจนถึงแพลตฟอร์มรุ่นที่สี่ในปัจจุบัน ประสิทธิภาพไม่เพียงแต่เหนือกว่ามาตรฐานประสิทธิภาพ 80 Plus Titanium เท่านั้น แต่ความหนาแน่นของพลังงานยังเพิ่มขึ้นจาก 100W/in³ เป็น 120W/in³ อีกด้วย แพลตฟอร์มนี้ไม่เพียงแต่กำหนดมาตรฐานใหม่ในด้านประสิทธิภาพและขนาดพลังงาน แต่ยังมอบประสิทธิภาพที่เหนือกว่าอย่างมากอีกด้วย

โดยสรุป ไม่ว่าจะเป็นบริษัท SiC ที่ได้บริษัท GaN หรือบริษัท GaN ที่ได้บริษัท SiC แรงจูงใจเบื้องหลังคือการขยายตลาดและสาขาการใช้งานของพวกเขา ท้ายที่สุดแล้ว GaN และ SiC ต่างก็อยู่ในวัสดุที่มีแถบความถี่กว้าง (WBG) และวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สี่ในอนาคต เช่น แกลเลียมออกไซด์ (Ga2O3) และ Antimonides จะค่อยๆ เกิดขึ้น ทำให้เกิดระบบนิเวศทางเทคโนโลยีที่หลากหลาย ดังนั้นวัสดุเหล่านี้จึงไม่ได้ทดแทนซึ่งกันและกัน แต่เป็นการขับเคลื่อนการเติบโตของอุตสาหกรรมโดยรวม**