GaN und SiC: Koexistenz oder Substitution?

Der Drang nach höherer Leistungsdichte und Effizienz ist zu einem Haupttreiber für Innovationen in zahlreichen Branchen geworden, darunter Rechenzentren, erneuerbare Energien, Unterhaltungselektronik, Elektrofahrzeuge und autonome Fahrtechnologien. Im Bereich der Wide-Bandgap-Materialien (WBG) sind Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) derzeit die beiden Kernplattformen, die als zentrale Werkzeuge für die Innovation von Leistungshalbleitern gelten. Diese Materialien verändern die Leistungselektronikindustrie grundlegend, um den ständig steigenden Bedarf an Energie zu decken.

Tatsächlich beschäftigen sich auch einige führende Unternehmen der SiC-Branche aktiv mit der GaN-Technologie. Im März dieses Jahres erwarb Infineon das kanadische GaN-Startup GaN Systems für 830 Millionen US-Dollar in bar. Ebenso stellte ROHM kürzlich seine neuesten SiC- und GaN-Produkte auf der PCIM Asia vor, mit besonderem Schwerpunkt auf den GaN-HEMT-Geräten seiner EcoGaN-Marke. Umgekehrt erwarb Navitas Semiconductor, das sich ursprünglich auf die GaN-Technologie konzentrierte, im August 2022 GeneSiC und wurde damit das einzige Unternehmen, das sich dem Leistungshalbleiterportfolio der nächsten Generation widmete.

Tatsächlich weisen GaN und SiC einige Überschneidungen in den Leistungs- und Anwendungsszenarien auf. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, das Anwendungspotenzial dieser beiden Materialien aus einer Systemperspektive zu bewerten. Obwohl verschiedene Hersteller während des F&E-Prozesses ihre eigenen Standpunkte vertreten können, ist es wichtig, diese unter verschiedenen Aspekten umfassend zu bewerten, einschließlich Entwicklungstrends, Materialkosten, Leistung und Designmöglichkeiten.

Was sind die wichtigsten Trends in der Leistungselektronikbranche, denen GaN gerecht wird?

Jim Witham, CEO von GaN Systems, hat sich nicht wie andere Führungskräfte übernommener Unternehmen für einen Rücktritt entschieden; Stattdessen tritt er weiterhin häufig öffentlich auf. Kürzlich betonte er in einer Rede die Bedeutung von GaN-Leistungshalbleitern und wies darauf hin, dass diese Technologie Entwicklern und Herstellern von Stromversorgungssystemen dabei helfen wird, drei Schlüsseltrends anzugehen, die derzeit die Leistungselektronikindustrie verändern, wobei GaN bei jedem Trend eine entscheidende Rolle spielt.

Jim Witham, CEO von GaN Systems

Erstens die Frage der Energieeffizienz. Es wird prognostiziert, dass der weltweite Strombedarf bis 2050 um über 50 % steigen wird. Daher ist es zwingend erforderlich, die Energieeffizienz zu optimieren und den Übergang zu erneuerbaren Energien zu beschleunigen. Der aktuelle Übergang konzentriert sich nicht nur auf die Energieeffizienz, sondern erstreckt sich auch auf anspruchsvollere Aspekte wie Energieunabhängigkeit und Integration in das Mainstream-Stromnetz. Die GaN-Technologie bietet erhebliche Energiesparvorteile bei Energie- und Speicheranwendungen. Beispielsweise können Solar-Mikrowechselrichter mit GaN mehr Strom erzeugen; Der Einsatz von GaN bei der AC-DC-Umwandlung und bei Wechselrichtern kann die Energieverschwendung in Batteriespeichersystemen um bis zu 50 % reduzieren.

Zweitens der Elektrifizierungsprozess, insbesondere im Transportsektor. Elektrofahrzeuge stehen seit jeher im Mittelpunkt dieses Trends. In dicht besiedelten städtischen Gebieten, insbesondere in Asien, weitet sich die Elektrifizierung jedoch auf zweirädrige und dreirädrige Transportmittel (z. B. Fahrräder, Motorräder und Rikschas) aus. Mit zunehmender Reife dieser Märkte werden die Vorteile von GaN-Leistungstransistoren immer deutlicher hervortreten und GaN wird eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Lebensqualität und des Umweltschutzes spielen.

Schließlich unterliegt die digitale Welt massiven Veränderungen, um den Anforderungen an Echtzeitdaten und der rasanten Entwicklung künstlicher Intelligenz (KI) gerecht zu werden. Aktuelle Energieumwandlungs- und -verteilungstechnologien in Rechenzentren können mit den schnell steigenden Anforderungen durch Cloud Computing und maschinelles Lernen, insbesondere stromhungrige KI-Anwendungen, nicht mithalten. Durch die Erzielung von Energieeinsparungen, die Reduzierung des Kühlbedarfs und die Verbesserung der Kosteneffizienz verändert die GaN-Technologie die Stromversorgungslandschaft von Rechenzentren neu. Die Kombination aus generativer KI und GaN-Technologie wird eine effizientere, nachhaltigere und robustere Zukunft für Rechenzentren schaffen.

Als Wirtschaftsführer und überzeugter Umweltverfechter ist Jim Witham davon überzeugt, dass die rasche Weiterentwicklung der GaN-Technologie erhebliche Auswirkungen auf verschiedene energieabhängige Industrien haben und tiefgreifende Auswirkungen auf die Weltwirtschaft haben wird. Er stimmt auch den Marktprognosen zu, dass der Umsatz mit GaN-Leistungshalbleitern innerhalb der nächsten fünf Jahre 6 Milliarden US-Dollar erreichen wird, und weist darauf hin, dass die GaN-Technologie im Wettbewerb mit SiC einzigartige Vorteile und Chancen bietet.

Wie schneidet GaN im Vergleich zu SiC im Hinblick auf den Wettbewerbsvorteil ab?

In der Vergangenheit gab es einige Missverständnisse über GaN-Leistungshalbleiter, da viele glaubten, sie seien besser für Ladeanwendungen in der Unterhaltungselektronik geeignet. Der Hauptunterschied zwischen GaN und SiC liegt jedoch in ihren Anwendungen im Spannungsbereich. GaN schneidet bei Nieder- und Mittelspannungsanwendungen besser ab, während SiC hauptsächlich für Hochspannungsanwendungen über 1200 V verwendet wird. Dennoch erfordert die Wahl zwischen diesen beiden Materialien die Berücksichtigung von Spannungs-, Leistungs- und Kostenfaktoren.

Auf der Messe PCIM Europe 2023 stellte GaN Systems beispielsweise GaN-Lösungen vor, die erhebliche Fortschritte bei der Leistungsdichte und Effizienz zeigten. Im Vergleich zu SiC-Transistordesigns erzielten GaN-basierte 11-kW/800-V-Onboard-Ladegeräte (OBC) eine Steigerung der Leistungsdichte um 36 % und eine Reduzierung der Materialkosten um 15 %. Dieses Design integriert außerdem eine Topologie mit dreistufigen fliegenden Kondensatoren in einer brückenlosen Totem-Pole-PFC-Konfiguration und Dual-Active-Bridge-Technologie, wodurch die Spannungsbelastung mithilfe von GaN-Transistoren um 50 % reduziert wird.

In den drei Hauptanwendungen von Elektrofahrzeugen – On-Board-Ladegeräte (OBC), DC-DC-Wandler und Traktionswechselrichter – hat GaN Systems mit Toyota zusammengearbeitet, um einen reinen GaN-Autoprototyp zu entwickeln und serienreife OBC-Lösungen für das amerikanische EV-Startup bereitzustellen Canoo hat sich mit Vitesco Technologies zusammengetan, um GaN-DC-DC-Wandler für 400-V- und 800-V-EV-Stromversorgungssysteme zu entwickeln, die Autoherstellern mehr Auswahlmöglichkeiten bieten.

Jim Witham glaubt, dass Kunden, die derzeit auf SiC angewiesen sind, aus zwei Gründen wahrscheinlich schnell auf GaN umsteigen werden: der begrenzten Verfügbarkeit und der hohen Materialkosten. Da der Strombedarf in verschiedenen Branchen, von Rechenzentren bis hin zur Automobilindustrie, steigt, wird ein frühzeitiger Übergang zur GaN-Technologie es diesen Unternehmen ermöglichen, die Zeit zu verkürzen, die sie in Zukunft benötigen, um mit der Konkurrenz gleichzuziehen.

Aus Sicht der Lieferkette ist SiC im Vergleich zu GaN teurer und unterliegt Lieferengpässen. Da GaN auf Siliziumwafern hergestellt wird, sinkt sein Preis mit steigender Marktnachfrage schnell und der zukünftige Preis und die Wettbewerbsfähigkeit können genauer vorhergesagt werden. Umgekehrt könnten die begrenzte Anzahl von SiC-Lieferanten und lange Vorlaufzeiten, typischerweise bis zu einem Jahr, die Kosten erhöhen und sich auf die Nachfrage nach der Automobilherstellung über 2025 hinaus auswirken.

Im Hinblick auf die Skalierbarkeit ist GaN nahezu „unendlich“ skalierbar, da es auf Siliziumwafern mit der gleichen Ausrüstung wie Milliarden von CMOS-Geräten hergestellt werden kann. GaN kann bald auf 8-Zoll-, 12-Zoll- und sogar 15-Zoll-Wafern hergestellt werden, während SiC-MOSFETs typischerweise auf 4-Zoll- oder 6-Zoll-Wafern hergestellt werden und der Übergang zu 8-Zoll-Wafern gerade erst beginnt.

In Bezug auf die technische Leistung ist GaN derzeit das schnellste Leistungsschaltgerät der Welt und bietet eine höhere Leistungsdichte und Ausgangseffizienz als andere Halbleitergeräte. Dies bringt erhebliche Vorteile für Verbraucher und Unternehmen, sei es durch kleinere Gerätegrößen, schnellere Ladegeschwindigkeiten oder geringere Kühlkosten und Energieverbrauch für Rechenzentren. GaN weist enorme Vorteile auf.

Mit GaN aufgebaute Systeme weisen im Vergleich zu SiC eine deutlich höhere Leistungsdichte auf. Mit der zunehmenden Einführung von GaN entstehen ständig neue Stromversorgungssystemprodukte mit kleineren Größen, während SiC nicht den gleichen Grad an Miniaturisierung erreichen kann. Laut GaN Systems hat die Leistung ihrer Geräte der ersten Generation bereits die der neuesten SiC-Halbleitergeräte der fünften Generation übertroffen. Da sich die GaN-Leistung kurzfristig um das Fünf- bis Zehnfache verbessert, wird erwartet, dass sich diese Leistungslücke noch vergrößert.

Darüber hinaus verfügen GaN-Geräte über erhebliche Vorteile wie niedrige Gate-Ladung, Null-Reverse-Recovery und flache Ausgangskapazität, was eine hochwertige Schaltleistung ermöglicht. Bei Mittel- und Niederspannungsanwendungen unter 1200 V sind die Schaltverluste von GaN mindestens dreimal geringer als die von SiC. Aus frequenztechnischer Sicht arbeiten die meisten siliziumbasierten Designs derzeit zwischen 60 kHz und 300 kHz. Obwohl sich die Frequenz von SiC verbessert hat, sind die Verbesserungen bei GaN deutlicher und erreichen Frequenzen von 500 kHz und höher.

Da SiC typischerweise für Spannungen von 1200 V und höher verwendet wird und nur wenige Produkte für 650 V geeignet sind, ist seine Anwendung in bestimmten Designs begrenzt, z. B. in der Unterhaltungselektronik mit 30–40 V, in 48-V-Hybridfahrzeugen und in Rechenzentren, die allesamt wichtige Märkte sind. Daher ist die Rolle von SiC auf diesen Märkten begrenzt. GaN hingegen zeichnet sich in diesen Spannungsebenen aus und leistet bedeutende Beiträge in den Bereichen Rechenzentren, Unterhaltungselektronik, erneuerbare Energien, Automobil und Industrie.

Um Ingenieuren dabei zu helfen, die Leistungsunterschiede zwischen GaN-FETs (Feldeffekttransistoren) und SiC besser zu verstehen, hat GaN Systems zwei 650-V- und 15-A-Netzteile mit SiC bzw. GaN entwickelt und detaillierte Vergleichstests durchgeführt.

Direkter Vergleich zwischen GaN und SiC

Durch den Vergleich des GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Transistor) mit dem besten SiC-MOSFET seiner Klasse in Hochgeschwindigkeitsschaltanwendungen wurde festgestellt, dass der Wandler mit GaN E- HEMT zeigte einen viel höheren Wirkungsgrad als der mit SiC-MOSFET. Dieser Vergleich zeigt deutlich, dass GaN E-HEMT den Top-SiC-MOSFET in wichtigen Kennzahlen wie Schaltgeschwindigkeit, parasitäre Kapazität, Schaltverluste und thermische Leistung übertrifft. Darüber hinaus bietet GaN E-HEMT im Vergleich zu SiC erhebliche Vorteile bei der Erzielung kompakterer und effizienterer Leistungswandlerdesigns.

Warum könnte GaN unter bestimmten Bedingungen potenziell besser abschneiden als SiC?

Heutzutage stößt die herkömmliche Siliziumtechnologie an ihre Grenzen und kann nicht die zahlreichen Vorteile von GaN bieten, während die Anwendung von SiC auf bestimmte Anwendungsszenarien beschränkt ist. Der Begriff „unter bestimmten Bedingungen“ bezieht sich auf die Einschränkungen dieser Materialien in bestimmten Anwendungen. In einer Welt, die zunehmend auf Elektrizität angewiesen ist, verbessert GaN nicht nur die bestehende Produktversorgung, sondern schafft auch innovative Lösungen, die Unternehmen dabei helfen, wettbewerbsfähig zu bleiben.

Während GaN-Leistungshalbleiter von der frühen Einführung zur Massenproduktion übergehen, besteht die Hauptaufgabe für Geschäftsentscheidungsträger darin, zu erkennen, dass GaN-Leistungshalbleiter ein höheres Maß an Gesamtleistung bieten können. Dies hilft den Kunden nicht nur, Marktanteile und Rentabilität zu steigern, sondern senkt auch effektiv die Betriebskosten und Investitionsausgaben.

Im September dieses Jahres haben Infineon und GaN Systems gemeinsam eine neue Galliumnitrid-Plattform der vierten Generation (Gen 4 GaN Power Platform) auf den Markt gebracht. Vom 3,2-kW-AI-Server-Netzteil im Jahr 2022 bis zur aktuellen Plattform der vierten Generation übertrifft seine Effizienz nicht nur den Effizienzstandard 80 Plus Titanium, sondern auch seine Leistungsdichte ist von 100 W/in³ auf 120 W/in³ gestiegen. Diese Plattform setzt nicht nur neue Maßstäbe in puncto Energieeffizienz und Größe, sondern bietet auch eine deutlich überlegene Leistung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die zugrunde liegende Motivation darin besteht, ihre Markt- und Anwendungsfelder zu erweitern, unabhängig davon, ob es sich um SiC-Unternehmen handelt, die GaN-Unternehmen erwerben, oder um GaN-Unternehmen, die SiC-Unternehmen erwerben. Schließlich gehören sowohl GaN als auch SiC zu Materialien mit großer Bandlücke (WBG), und zukünftige Halbleitermaterialien der vierten Generation wie Galliumoxid (Ga2O3) und Antimonide werden nach und nach entstehen und ein diversifiziertes technologisches Ökosystem schaffen. Daher ersetzen diese Materialien einander nicht, sondern treiben vielmehr gemeinsam das Branchenwachstum voran.**