GaN và SiC: Cùng tồn tại hay thay thế?

Việc thúc đẩy mật độ và hiệu suất năng lượng cao hơn đã trở thành động lực chính cho sự đổi mới trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm trung tâm dữ liệu, năng lượng tái tạo, điện tử tiêu dùng, xe điện và công nghệ lái xe tự động. Trong lĩnh vực vật liệu có khe cấm rộng (WBG), Gallium Nitride (GaN) và Silicon Carbide (SiC) hiện là hai nền tảng cốt lõi, được xem là công cụ then chốt dẫn đầu đổi mới chất bán dẫn điện. Những vật liệu này đang biến đổi sâu sắc ngành công nghiệp điện tử công suất nhằm giải quyết nhu cầu năng lượng ngày càng tăng.

Trên thực tế, một số công ty hàng đầu trong ngành SiC cũng đang tích cực khám phá công nghệ GaN. Vào tháng 3 năm nay, Infineon đã mua lại công ty khởi nghiệp GaN Systems của Canada với giá 830 triệu USD tiền mặt. Tương tự như vậy, ROHM gần đây đã giới thiệu các sản phẩm SiC và GaN mới nhất của mình tại PCIM Châu Á, đặc biệt nhấn mạnh vào các thiết bị GaN HEMT của thương hiệu EcoGaN của họ. Ngược lại, vào tháng 8 năm 2022, Navitas Semiconductor, công ty ban đầu tập trung vào công nghệ GaN, đã mua lại GeneSiC, trở thành công ty duy nhất phát triển danh mục sản phẩm bán dẫn điện thế hệ tiếp theo.

Thật vậy, GaN và SiC thể hiện một số điểm trùng lặp trong các tình huống ứng dụng và hiệu suất. Do đó, điều quan trọng là phải đánh giá tiềm năng ứng dụng của hai vật liệu này từ góc độ hệ thống. Mặc dù các nhà sản xuất khác nhau có thể có quan điểm riêng trong quá trình R&D, nhưng điều cần thiết là phải đánh giá toàn diện chúng từ nhiều khía cạnh, bao gồm xu hướng phát triển, chi phí vật liệu, hiệu suất và cơ hội thiết kế.

Các xu hướng chính trong ngành Điện tử công suất mà GaN đáp ứng là gì?

Jim Witham, Giám đốc điều hành của GaN Systems, đã không chọn cách lùi bước như các giám đốc điều hành khác của các công ty bị mua lại; thay vào đó, anh ấy tiếp tục xuất hiện trước công chúng thường xuyên. Gần đây, trong một bài phát biểu, ông nhấn mạnh tầm quan trọng của chất bán dẫn điện GaN, đồng thời lưu ý rằng công nghệ này sẽ giúp các nhà thiết kế và sản xuất hệ thống điện giải quyết ba xu hướng chính hiện đang chuyển đổi ngành công nghiệp điện tử công suất, trong đó GaN đóng vai trò quan trọng trong mỗi xu hướng.

Giám đốc điều hành GaN Systems Jim Witham

Đầu tiên là vấn đề tiết kiệm năng lượng. Người ta dự đoán rằng nhu cầu năng lượng toàn cầu sẽ tăng hơn 50% vào năm 2050, khiến việc tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng và đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang năng lượng tái tạo trở nên cấp thiết. Quá trình chuyển đổi hiện nay không chỉ tập trung vào hiệu quả sử dụng năng lượng mà còn mở rộng sang các khía cạnh thách thức hơn như độc lập về năng lượng và tích hợp với lưới điện chính thống. Công nghệ GaN mang lại lợi thế tiết kiệm năng lượng đáng kể trong các ứng dụng năng lượng và lưu trữ. Ví dụ, bộ chuyển đổi vi mô năng lượng mặt trời sử dụng GaN có thể tạo ra nhiều điện hơn; Ứng dụng của GaN trong bộ chuyển đổi và biến tần AC-DC có thể giảm tới 50% lãng phí năng lượng trong hệ thống lưu trữ pin.

Thứ hai, quá trình điện khí hóa, đặc biệt là trong lĩnh vực giao thông vận tải. Xe điện luôn là tâm điểm của xu hướng này. Tuy nhiên, điện khí hóa đang mở rộng sang phương tiện giao thông hai bánh và ba bánh (như xe đạp, xe máy và xe kéo) tại các khu vực đô thị đông dân cư, đặc biệt là ở châu Á. Khi các thị trường này trưởng thành, lợi thế của bóng bán dẫn điện GaN sẽ trở nên nổi bật hơn và GaN sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng cuộc sống và bảo vệ môi trường.

Cuối cùng, thế giới kỹ thuật số đang trải qua những thay đổi lớn để đáp ứng nhu cầu dữ liệu thời gian thực và sự phát triển nhanh chóng của trí tuệ nhân tạo (AI). Các công nghệ phân phối và chuyển đổi năng lượng hiện tại trong các trung tâm dữ liệu không thể theo kịp nhu cầu ngày càng tăng nhanh chóng của điện toán đám mây và học máy, đặc biệt là các ứng dụng AI ngốn nhiều năng lượng. Bằng cách tiết kiệm năng lượng, giảm yêu cầu làm mát và nâng cao hiệu quả chi phí, công nghệ GaN đang định hình lại bối cảnh cung cấp điện của các trung tâm dữ liệu. Sự kết hợp giữa công nghệ AI và GaN tiên tiến sẽ tạo ra một tương lai hiệu quả, bền vững và mạnh mẽ hơn cho các trung tâm dữ liệu.

Là một nhà lãnh đạo doanh nghiệp và là người ủng hộ môi trường trung thành, Jim Witham tin rằng sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ GaN sẽ tác động đáng kể đến nhiều ngành công nghiệp phụ thuộc vào năng lượng khác nhau và có tác động sâu sắc đến nền kinh tế toàn cầu. Ông cũng đồng tình với dự đoán của thị trường rằng doanh thu bán dẫn điện GaN sẽ đạt 6 tỷ USD trong vòng 5 năm tới, đồng thời lưu ý rằng công nghệ GaN mang lại những lợi thế và cơ hội độc nhất trong cuộc cạnh tranh với SiC.

GaN so sánh với SiC về lợi thế cạnh tranh như thế nào?

Trước đây, có một số quan niệm sai lầm về chất bán dẫn điện GaN, nhiều người tin rằng chúng phù hợp hơn cho các ứng dụng sạc trong thiết bị điện tử tiêu dùng. Tuy nhiên, điểm khác biệt chính giữa GaN và SiC nằm ở phạm vi ứng dụng điện áp của chúng. GaN hoạt động tốt hơn trong các ứng dụng điện áp thấp và trung bình, trong khi SiC chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao trên 1200V. Tuy nhiên, việc lựa chọn giữa hai vật liệu này liên quan đến việc xem xét các yếu tố điện áp, hiệu suất và chi phí.

Ví dụ: tại triển lãm PCIM Châu Âu năm 2023, GaN Systems đã giới thiệu các giải pháp GaN thể hiện những tiến bộ đáng kể về mật độ năng lượng và hiệu quả. So với các thiết kế bóng bán dẫn SiC, bộ sạc tích hợp (OBC) 11kW/800V dựa trên GaN đã đạt được mật độ năng lượng tăng 36% và giảm 15% chi phí vật liệu. Thiết kế này cũng tích hợp cấu trúc liên kết tụ điện bay ba cấp trong cấu hình PFC cực vật tổ không cầu nối và công nghệ cầu hoạt động kép, giúp giảm 50% căng thẳng điện áp khi sử dụng bóng bán dẫn GaN.

Trong ba ứng dụng chính của xe điện—bộ sạc tích hợp (OBC), bộ chuyển đổi DC-DC và bộ biến tần kéo—GaN Systems đã hợp tác với Toyota để phát triển nguyên mẫu ô tô chạy hoàn toàn bằng GaN, cung cấp các giải pháp OBC sẵn sàng sản xuất cho công ty khởi nghiệp xe điện của Mỹ Canoo và hợp tác với Vitesco Technologies để phát triển bộ chuyển đổi GaN DC-DC cho hệ thống điện 400V và 800V EV, mang đến nhiều sự lựa chọn hơn cho các nhà sản xuất ô tô.

Jim Witham tin rằng khách hàng hiện đang phụ thuộc vào SiC có thể sẽ nhanh chóng chuyển sang GaN vì hai lý do: tính sẵn có hạn chế và chi phí nguyên vật liệu cao. Khi nhu cầu năng lượng tăng lên ở nhiều ngành công nghiệp khác nhau, từ trung tâm dữ liệu đến ô tô, việc sớm chuyển đổi sang công nghệ GaN sẽ giúp các doanh nghiệp này rút ngắn thời gian cần thiết để bắt kịp các đối thủ trong tương lai.

Từ góc độ chuỗi cung ứng, SiC đắt hơn và phải đối mặt với những hạn chế về nguồn cung so với GaN. Vì GaN được sản xuất trên các tấm silicon nên giá của nó giảm nhanh chóng khi nhu cầu thị trường ngày càng tăng, đồng thời có thể dự đoán chính xác hơn về giá cả cũng như khả năng cạnh tranh trong tương lai. Ngược lại, số lượng nhà cung cấp SiC hạn chế và thời gian thực hiện dài, thường lên tới một năm, có thể làm tăng chi phí và ảnh hưởng đến nhu cầu sản xuất ô tô sau năm 2025.

Về khả năng mở rộng, GaN gần như có khả năng mở rộng “vô hạn” vì nó có thể được sản xuất trên các tấm silicon sử dụng thiết bị giống như hàng tỷ thiết bị CMOS. GaN có thể sớm được sản xuất trên các tấm bán dẫn 8 inch, 12 inch và thậm chí 15 inch, trong khi SiC MOSFET thường được sản xuất trên các tấm bán dẫn 4 inch hoặc 6 inch và mới bắt đầu chuyển sang các tấm bán dẫn 8 inch.

Xét về hiệu suất kỹ thuật, GaN hiện là thiết bị chuyển mạch nguồn nhanh nhất thế giới, mang lại mật độ năng lượng và hiệu suất đầu ra cao hơn các thiết bị bán dẫn khác. Điều này mang lại lợi ích đáng kể cho người tiêu dùng và doanh nghiệp, dù ở kích thước thiết bị nhỏ hơn, tốc độ sạc nhanh hơn hay giảm chi phí làm mát và tiêu thụ năng lượng cho trung tâm dữ liệu. GaN thể hiện những lợi thế to lớn.

Các hệ thống được xây dựng bằng GaN có mật độ năng lượng cao hơn đáng kể so với SiC. Khi việc áp dụng GaN ngày càng lan rộng, các sản phẩm hệ thống điện mới có kích thước nhỏ hơn liên tục xuất hiện, trong khi SiC không thể đạt được mức độ thu nhỏ tương tự. Theo GaN Systems, hiệu suất của các thiết bị thế hệ đầu tiên của họ đã vượt qua hiệu suất của các thiết bị bán dẫn SiC thế hệ thứ năm mới nhất. Khi hiệu suất GaN cải thiện từ 5 đến 10 lần trong thời gian ngắn, khoảng cách hiệu suất này dự kiến ​​sẽ ngày càng mở rộng.

Ngoài ra, các thiết bị GaN còn sở hữu những ưu điểm đáng kể như điện tích cổng thấp, khả năng phục hồi ngược bằng 0 và điện dung đầu ra phẳng, cho phép hiệu suất chuyển mạch chất lượng cao. Trong các ứng dụng điện áp trung bình đến thấp dưới 1200V, tổn thất chuyển mạch của GaN thấp hơn ít nhất ba lần so với SiC. Từ góc độ tần số, hầu hết các thiết kế dựa trên silicon hiện hoạt động trong khoảng từ 60kHz đến 300kHz. Mặc dù SiC đã được cải thiện về tần số nhưng sự cải thiện của GaN rõ rệt hơn, đạt được tần số 500kHz và cao hơn.

Vì SiC thường được sử dụng cho điện áp 1200V trở lên và chỉ có một số sản phẩm phù hợp với 650V nên ứng dụng của nó bị hạn chế trong một số thiết kế nhất định, chẳng hạn như thiết bị điện tử tiêu dùng 30-40V, xe hybrid 48V và trung tâm dữ liệu, tất cả đều là những thị trường quan trọng. Vì vậy, vai trò của SiC tại các thị trường này còn hạn chế. Mặt khác, GaN vượt trội ở các cấp điện áp này, đóng góp đáng kể trong các trung tâm dữ liệu, điện tử tiêu dùng, năng lượng tái tạo, ô tô và các lĩnh vực công nghiệp.

Để giúp các kỹ sư hiểu rõ hơn về sự khác biệt về hiệu suất giữa GaN FET (Bóng bán dẫn hiệu ứng trường) và SiC, GaN Systems đã thiết kế hai bộ nguồn 650V, 15A lần lượt sử dụng SiC và GaN, đồng thời tiến hành các thử nghiệm so sánh chi tiết.

So sánh trực tiếp GaN và SiC

Bằng cách so sánh GaN E-HEMT (Transitor di động điện tử cao nâng cao) với MOSFET SiC tốt nhất trong các ứng dụng chuyển mạch tốc độ cao, người ta nhận thấy rằng khi được sử dụng trong bộ chuyển đổi DC-DC đồng bộ, bộ chuyển đổi có GaN E- HEMT thể hiện hiệu suất cao hơn nhiều so với SiC MOSFET. Sự so sánh này chứng minh rõ ràng rằng GaN E-HEMT vượt trội hơn MOSFET SiC hàng đầu về các số liệu chính như tốc độ chuyển mạch, điện dung ký sinh, tổn thất chuyển mạch và hiệu suất nhiệt. Ngoài ra, so với SiC, GaN E-HEMT cho thấy những lợi thế đáng kể trong việc đạt được các thiết kế bộ chuyển đổi điện nhỏ gọn và hiệu quả hơn.

Tại sao GaN có thể hoạt động tốt hơn SiC trong một số điều kiện nhất định?

Ngày nay, công nghệ silicon truyền thống đã đạt đến giới hạn và không thể mang lại nhiều lợi thế như GaN, trong khi ứng dụng của SiC bị hạn chế trong các tình huống sử dụng cụ thể. Thuật ngữ “trong những điều kiện nhất định” đề cập đến những hạn chế của những vật liệu này trong các ứng dụng cụ thể. Trong một thế giới ngày càng phụ thuộc vào điện, GaN không chỉ cải thiện nguồn cung sản phẩm hiện có mà còn tạo ra các giải pháp sáng tạo giúp doanh nghiệp duy trì tính cạnh tranh.

Khi chất bán dẫn điện GaN chuyển từ giai đoạn áp dụng sớm sang sản xuất hàng loạt, nhiệm vụ chính của những người ra quyết định kinh doanh là nhận ra rằng chất bán dẫn điện GaN có thể mang lại mức hiệu suất tổng thể cao hơn. Điều này không chỉ giúp khách hàng tăng thị phần và lợi nhuận mà còn giảm chi phí hoạt động và chi phí vốn một cách hiệu quả.

Vào tháng 9 năm nay, Infineon và GaN Systems đã cùng nhau ra mắt nền tảng Gallium Nitride thế hệ thứ tư mới (Nền tảng năng lượng GaN Gen 4). Từ bộ nguồn máy chủ AI 3,2kW vào năm 2022 đến nền tảng thế hệ thứ tư hiện tại, hiệu suất của nó không chỉ vượt qua tiêu chuẩn hiệu suất 80 Plus Titanium mà mật độ năng lượng của nó cũng tăng từ 100W/in³ lên 120W/in³. Nền tảng này không chỉ đặt ra các tiêu chuẩn mới về hiệu suất và kích thước năng lượng mà còn mang lại hiệu suất vượt trội đáng kể.

Tóm lại, cho dù đó là các công ty SiC mua lại các công ty GaN hay các công ty GaN mua lại các công ty SiC, thì động lực cơ bản là mở rộng thị trường và lĩnh vực ứng dụng của họ. Xét cho cùng, GaN và SiC đều thuộc loại vật liệu có dải thông rộng (WBG), và các vật liệu bán dẫn thế hệ thứ tư trong tương lai như Gallium Oxide (Ga2O3) và Antimonides sẽ dần xuất hiện, tạo ra một hệ sinh thái công nghệ đa dạng. Do đó, những vật liệu này không thay thế lẫn nhau mà cùng nhau thúc đẩy tăng trưởng của ngành.**