В последнее время на рынок все активнее выходят мощные полупроводниковые приборы на основе GaN и SiC. Они превосходят кремниевые аналоги и, возможно, скоро потеснят их на рынке. Недавно консалтинговая фирма Omdia представила обзор перспектив мощных GaN- и SiC-приборов.

По оценкам консалтинговой фирмы Omdia (Лондон, Великобритания), объем продаж мощных SiC и GaN полупроводниковых приборов в 2021 г. превысит 1 млрд долл. Это обусловлено ростом спроса на гибридные и электрические транспортные средства, источники питания и инверторы для гелиотехники. В 2029 г., согласно данным представленного Omdia «Доклада о состоянии рынка SiC и GaN мощных полупроводниковых приборов в 2020 г.» (SiC & GaN Power Semiconductors Report – 2020), совокупные продажи этих приборов составят более 5 млрд долл. (в 2018 г. – 571 млн, а в 2020 г. – 854 млн долл.) (см. рисунок).

Источник: Omdia

Прогноз структуры мировых продаж GaN и SiC мощных полупроводниковых приборов до 2029 г. по конечному применению

Отмечается, что долгосрочный прогноз продаж уменьшен на 1 млрд долл. по сравнению с прогнозом 2019 г. Корректировка связана с начавшимся снижением спроса на все системы конечного использования данных приборов

и сокращением средних продажных цен в 2019 г. Кроме того, в новом прогнозе не учитывается воздействие пандемии COVID-19.

SiC-диоды Шоттки присутствуют на рынке уже более 10 лет. В последние годы к ним добавились SiC МОП полевые транзисторы (SiC MOSFET) и канальные транзисторы с p-n-переходом (SiC JFET). Все более доступными становятся SiC силовые модули. К ним относятся гибридные SiC-модули и полные SiC-модули. Гибридные модули содержат SiC-диоды и кремниевые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). В полных модулях используются SiC MOSFET с SiC-диодами или без них.

SiC MOSFET оказались очень популярными, их предлагают уже несколько фирм. В 2019 г. цены на эти приборы упали, что было обусловлено несколькими факторами. Один из них – появление SiC MOSFET на 650, 700 и 900 В по цене, позволяющей конкурировать с кремниевыми MOSFET с суперпереходом. Еще один фактор – усиление конкуренции между поставщиками SiC MOSFET. Предполагается, что снижение цен в конечном счете подстегнет внедрение технологии SiC MOSFET.

В свою очередь, мощные GaN-транзисторы и GaN системные ИС появились на рынке совсем недавно. GaN – это материал с широкой запрещенной зоной, предлагающий аналогичные SiC эксплуатационные преимущества, но обладающий бóльшим потенциалом снижения издержек производства. Ценовые преимущества и преимущества по эксплуатационным характеристикам объясняются тем, что мощные GaN-приборы можно выращивать на кремниевых или сапфировых подложках, которые дешевле SiC-подложек. При этом отмечается, что, несмотря на доступность GaN-транзисторов, продажи GaN системных ИС будут расти более высокими темпами. Основные поставщики GaN системных ИС – корпорации Navitas Semiconductor, Power Integrations и Texas Instruments.

Тенденции рынка SiC и GaN мощных полупроводниковых приборов

По прогнозам, к концу 2020 г. продажи SiC MOSFET достигнут уровня 320 млн долл. и сравняются с продажами SiC-диодов Шоттки. Начиная с 2021 г. доходы от продаж SiC MOSFET станут расти немного быстрее, и эти дискретные мощные SiC-приборы станут самыми продаваемыми в своей категории в силу предпочтений конечных потребителей. При этом SiC JFET будут генерировать гораздо меньшие доходы, чем SiC MOSFET, несмотря на достигнутые хорошие показатели надежности, цены и производительности, и, по всей видимости, останутся специализированными, нишевыми продуктами. Тем не менее продажи SiC JFET будут расти впечатляющими темпами, несмотря на то что количество активных поставщиков этих приборов достаточно мало.

По оценкам, продажи гибридных SiC силовых модулей принесли в 2019 г. около 72 млн долл., а полных SiC силовых модулей – 50 млн долл. По прогнозам, доходы от продаж полных SiC силовых модулей в 2029 г. составят более 850 млн долл. Это объясняется их предпочтительностью для использования в инверторах трансмиссий гибридных и электрических транспортных средств. Что касается гибридных SiC силовых модулей, то они будут использоваться в основном в инверторах фотоэлектрических (гелиотехнических) систем, системах бесперебойного питания и других промышленных применениях, и темпы роста их продаж окажутся намного скромнее.

Что изменилось с 2019 гОДА?

К настоящему времени накоплен опыт эксплуатации мощных SiC- и GaN-приборов, измеряемый триллионами часов работы у пользователей. Поставщики данных приборов (в том числе новые) регулярно проводят их аттестацию на соответствие требованиям JEDEC и AEC-Q101. По всей видимости, с SiC- и GaN-приборами не возникает проблем, связанных с надежностью, – она у них обычно лучше, чем у кремниевых аналогов.

В настоящее время SiC MOSFET и SiC JFET доступны в версиях с низким рабочим напряжением, таким как 650, 800 и 900 В. Это позволяет SiC мощным полупроводниковым приборам конкурировать с кремниевыми MOSFET с суперпереходом как по производительности, так и по цене.

Конечные продукты массового производства, использующие GaN-транзисторы и GaN системные ИС, – это, в частности, USB-адаптеры питания типа С, а также устройства для быстрой зарядки мобильных телефонов и ноутбуков. Кроме того, многие GaN-приборы производятся поставщиками услуг кремниевых заводов, предлагающих собственные возможности эпитаксиального выращивания GaN-кристаллов на стандартных кремниевых пластинах. Отмечается, что кремниевые заводы обладают потенциалом существенного расширения мощностей под производство GaN-приборов по мере роста спроса на них.

GaN and SiC Power Semiconductor Markets Set to Pass $1B Mark in 2021. Semiconductor Digest, July 1, 2020: https://www.semiconductor-digest.com/2020/07/01/gan-and-sic-power-semiconductor-markets-set-to-pass-1b-mark-in-2021/