GaN et SiC : coexistence ou substitution ?

La volonté d’obtenir une densité et une efficacité énergétiques plus élevées est devenue un principal moteur d’innovation dans de nombreux secteurs, notamment les centres de données, les énergies renouvelables, l’électronique grand public, les véhicules électriques et les technologies de conduite autonome. Dans le domaine des matériaux à large bande interdite (WBG), le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC) sont actuellement les deux plates-formes principales, considérées comme des outils essentiels à la pointe de l'innovation en matière de semi-conducteurs de puissance. Ces matériaux transforment profondément l’industrie de l’électronique de puissance pour répondre à la demande toujours croissante d’énergie.

En fait, certaines entreprises leaders du secteur SiC explorent également activement la technologie GaN. En mars de cette année, Infineon a acquis la startup canadienne GaN GaN Systems pour 830 millions de dollars en espèces. De même, ROHM a récemment présenté ses derniers produits SiC et GaN au PCIM Asia, avec un accent particulier sur les dispositifs GaN HEMT de sa marque EcoGaN. À l’inverse, en août 2022, Navitas Semiconductor, initialement axée sur la technologie GaN, a acquis GeneSiC, devenant ainsi la seule société dédiée au portefeuille de semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération.

En effet, GaN et SiC présentent un certain chevauchement en termes de performances et de scénarios d'application. Il est donc crucial d’évaluer le potentiel d’application de ces deux matériaux d’un point de vue systémique. Bien que différents fabricants puissent avoir leurs propres points de vue au cours du processus de R&D, il est essentiel de les évaluer de manière exhaustive sous plusieurs aspects, notamment les tendances de développement, les coûts des matériaux, les performances et les opportunités de conception.

Quelles sont les principales tendances du secteur de l’électronique de puissance auxquelles GaN répond ?

Jim Witham, PDG de GaN Systems, n'a pas choisi de reculer comme d'autres dirigeants des sociétés acquises ; au lieu de cela, il continue de faire de fréquentes apparitions publiques. Récemment, dans un discours, il a souligné l'importance des semi-conducteurs de puissance GaN, notant que cette technologie aidera les concepteurs et les fabricants de systèmes électriques à répondre à trois tendances clés qui transforment actuellement l'industrie de l'électronique de puissance, le GaN jouant un rôle crucial dans chaque tendance.

Jim Witham, PDG de GaN Systems

Tout d’abord, la question de l’efficacité énergétique. On prévoit que la demande mondiale d’électricité augmentera de plus de 50 % d’ici 2050, ce qui rendra impératif d’optimiser l’efficacité énergétique et d’accélérer la transition vers les énergies renouvelables. La transition actuelle ne se concentre pas uniquement sur l’efficacité énergétique, mais s’étend également à des aspects plus complexes tels que l’indépendance énergétique et l’intégration au réseau électrique traditionnel. La technologie GaN offre des avantages significatifs en matière d'économie d'énergie dans les applications d'énergie et de stockage. Par exemple, les micro-onduleurs solaires utilisant GaN peuvent produire plus d’électricité ; L’application du GaN dans la conversion AC-DC et les onduleurs peut réduire jusqu’à 50 % le gaspillage d’énergie dans les systèmes de stockage par batterie.

Deuxièmement, le processus d’électrification, notamment dans le secteur des transports. Les véhicules électriques ont toujours été au centre de cette tendance. Cependant, l’électrification s’étend aux transports à deux et trois roues (tels que les vélos, les motos et les pousse-pousse) dans les zones urbaines densément peuplées, notamment en Asie. À mesure que ces marchés mûriront, les avantages des transistors de puissance GaN deviendront plus importants et le GaN jouera un rôle crucial dans l'amélioration de la qualité de vie et de la protection de l'environnement.

Enfin, le monde numérique connaît des changements massifs pour répondre aux demandes de données en temps réel et au développement rapide de l’intelligence artificielle (IA). Les technologies actuelles de conversion et de distribution d’énergie dans les centres de données ne peuvent pas répondre aux demandes rapidement croissantes induites par le cloud computing et l’apprentissage automatique, en particulier les applications d’IA gourmandes en énergie. En réalisant des économies d'énergie, en réduisant les besoins en refroidissement et en améliorant la rentabilité, la technologie GaN remodèle le paysage de l'alimentation électrique des centres de données. La combinaison de l’IA générative et de la technologie GaN créera un avenir plus efficace, durable et robuste pour les centres de données.

En tant que chef d’entreprise et ardent défenseur de l’environnement, Jim Witham estime que les progrès rapides de la technologie GaN auront un impact significatif sur diverses industries dépendantes de l’énergie et auront de profondes implications sur l’économie mondiale. Il est également d'accord avec les prévisions du marché selon lesquelles les revenus des semi-conducteurs de puissance GaN atteindront 6 milliards de dollars au cours des cinq prochaines années, notant que la technologie GaN offre des avantages et des opportunités uniques dans la concurrence du SiC.

Comment le GaN se compare-t-il au SiC en termes d’avantage concurrentiel ?

Dans le passé, certaines idées fausses circulaient à propos des semi-conducteurs de puissance GaN, beaucoup pensant qu'ils étaient plus adaptés aux applications de charge dans l'électronique grand public. Cependant, la principale distinction entre GaN et SiC réside dans leurs applications dans la plage de tension. Le GaN fonctionne mieux dans les applications basse et moyenne tension, tandis que le SiC est principalement utilisé pour les applications haute tension supérieure à 1 200 V. Néanmoins, le choix entre ces deux matériaux implique de prendre en compte des facteurs de tension, de performances et de coût.

Par exemple, lors du salon PCIM Europe 2023, GaN Systems a présenté des solutions GaN qui ont démontré des progrès significatifs en termes de densité de puissance et d'efficacité. Par rapport aux conceptions de transistors SiC, les chargeurs embarqués (OBC) 11 kW/800 V basés sur GaN ont permis d'obtenir une augmentation de 36 % de la densité de puissance et une réduction de 15 % des coûts des matériaux. Cette conception intègre également une topologie de condensateur volant à trois niveaux dans une configuration PFC totem-pole sans pont et une technologie à double pont actif, réduisant les contraintes de tension de 50 % à l'aide de transistors GaN.

Dans les trois applications clés des véhicules électriques (chargeurs embarqués (OBC), convertisseurs DC-DC et onduleurs de traction), GaN Systems a collaboré avec Toyota pour développer un prototype de voiture entièrement GaN et a fourni des solutions OBC prêtes à la production pour la startup américaine de véhicules électriques. Canoo et s'est associé à Vitesco Technologies pour développer des convertisseurs GaN DC-DC pour les systèmes d'alimentation EV 400 V et 800 V, offrant ainsi plus de choix aux constructeurs automobiles.

Jim Witham estime que les clients qui dépendent actuellement du SiC sont susceptibles de passer rapidement au GaN pour deux raisons : la disponibilité limitée et le coût élevé des matériaux. À mesure que la demande d'énergie augmente dans divers secteurs, des centres de données à l'automobile, une transition rapide vers la technologie GaN permettra à ces entreprises de réduire le temps nécessaire pour rattraper leurs concurrents à l'avenir.

Du point de vue de la chaîne d’approvisionnement, le SiC est plus cher et est confronté à des contraintes d’approvisionnement que le GaN. Étant donné que le GaN est produit sur des tranches de silicium, son prix diminue rapidement avec la demande croissante du marché, et les prix et la compétitivité futurs peuvent être prédits avec plus de précision. À l’inverse, le nombre limité de fournisseurs de SiC et les longs délais de livraison, généralement jusqu’à un an, pourraient augmenter les coûts et avoir un impact sur la demande de fabrication automobile au-delà de 2025.

En termes d’évolutivité, le GaN est évolutif presque « à l’infini » car il peut être fabriqué sur des tranches de silicium en utilisant le même équipement que des milliards de dispositifs CMOS. Le GaN pourra bientôt être produit sur des tranches de 8, 12 et même 15 pouces, alors que les MOSFET SiC sont généralement fabriqués sur des tranches de 4 ou 6 pouces et commencent tout juste à passer à des tranches de 8 pouces.

En termes de performances techniques, le GaN est actuellement le dispositif de commutation de puissance le plus rapide au monde, offrant une densité de puissance et une efficacité de sortie supérieures à celles des autres dispositifs à semi-conducteurs. Cela apporte des avantages significatifs aux consommateurs et aux entreprises, qu'il s'agisse de tailles d'appareils plus petites, de vitesses de chargement plus rapides ou de coûts de refroidissement et de consommation d'énergie réduits pour les centres de données. GaN présente d’énormes avantages.

Les systèmes construits avec GaN démontrent une densité de puissance nettement supérieure à celle du SiC. À mesure que l’adoption du GaN se répand, de nouveaux produits de systèmes électriques de plus petite taille apparaissent continuellement, alors que le SiC ne peut pas atteindre le même niveau de miniaturisation. Selon GaN Systems, les performances de leurs dispositifs de première génération ont déjà dépassé celles des derniers dispositifs à semi-conducteurs SiC de cinquième génération. À mesure que les performances du GaN s’améliorent de 5 à 10 fois à court terme, cet écart de performance devrait se creuser.

De plus, les dispositifs GaN possèdent des avantages significatifs tels qu'une faible charge de grille, une récupération inverse nulle et une capacité de sortie plate, permettant des performances de commutation de haute qualité. Dans les applications moyennes et basses tensions inférieures à 1 200 V, les pertes de commutation du GaN sont au moins trois fois inférieures à celles du SiC. Du point de vue de la fréquence, la plupart des conceptions à base de silicium fonctionnent actuellement entre 60 kHz et 300 kHz. Bien que la fréquence du SiC se soit améliorée, les améliorations du GaN sont plus prononcées, atteignant des fréquences de 500 kHz et plus.

Étant donné que le SiC est généralement utilisé pour des tensions de 1 200 V et supérieures, avec seulement quelques produits adaptés à 650 V, son application est limitée dans certaines conceptions, telles que l'électronique grand public de 30 à 40 V, les véhicules hybrides de 48 V et les centres de données, qui constituent tous des marchés importants. Le rôle du SiC sur ces marchés est donc limité. Le GaN, en revanche, excelle dans ces niveaux de tension, apportant une contribution significative aux centres de données, à l'électronique grand public, aux énergies renouvelables, à l'automobile et aux secteurs industriels.

Pour aider les ingénieurs à mieux comprendre les différences de performances entre les FET GaN (transistors à effet de champ) et le SiC, GaN Systems a conçu deux alimentations 650 V, 15 A utilisant respectivement du SiC et du GaN, et a effectué des tests comparatifs détaillés.

Comparaison directe GaN et SiC

En comparant le GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Transistor) avec le meilleur MOSFET SiC de sa catégorie dans les applications de commutation à grande vitesse, il a été constaté que lorsqu'il est utilisé dans des convertisseurs DC-DC abaisseurs synchrones, le convertisseur avec GaN E- HEMT a présenté une efficacité beaucoup plus élevée que celle avec SiC MOSFET. Cette comparaison démontre clairement que le GaN E-HEMT surpasse le meilleur MOSFET SiC dans des indicateurs clés tels que la vitesse de commutation, la capacité parasite, les pertes de commutation et les performances thermiques. De plus, par rapport au SiC, le GaN E-HEMT présente des avantages significatifs dans la réalisation de conceptions de convertisseurs de puissance plus compactes et plus efficaces.

Pourquoi le GaN pourrait-il potentiellement surpasser le SiC dans certaines conditions ?

Aujourd’hui, la technologie traditionnelle du silicium a atteint ses limites et ne peut pas offrir les nombreux avantages que possède le GaN, tandis que l’application du SiC est limitée à des scénarios d’utilisation spécifiques. Le terme « sous certaines conditions » fait référence aux limitations de ces matériaux dans des applications spécifiques. Dans un monde de plus en plus dépendant de l’électricité, GaN améliore non seulement l’offre de produits existants, mais crée également des solutions innovantes qui aident les entreprises à rester compétitives.

Alors que les semi-conducteurs de puissance GaN passent d’une adoption précoce à une production de masse, la tâche principale des décideurs commerciaux est de reconnaître que les semi-conducteurs de puissance GaN peuvent offrir un niveau de performances globales plus élevé. Cela aide non seulement les clients à accroître leur part de marché et leur rentabilité, mais réduit également efficacement les coûts d'exploitation et les dépenses en capital.

En septembre de cette année, Infineon et GaN Systems ont lancé conjointement une nouvelle plateforme de nitrure de gallium de quatrième génération (Gen 4 GaN Power Platform). De l'alimentation du serveur AI de 3,2 kW en 2022 à la plate-forme actuelle de quatrième génération, son efficacité dépasse non seulement la norme d'efficacité 80 Plus Titanium, mais sa densité de puissance est également passée de 100 W/po³ à 120 W/po³. Cette plate-forme établit non seulement de nouvelles références en matière d'efficacité énergétique et de taille, mais offre également des performances nettement supérieures.

En résumé, qu’il s’agisse d’entreprises SiC acquérant des entreprises GaN ou d’entreprises GaN acquérant des entreprises SiC, la motivation sous-jacente est d’élargir leur marché et leurs domaines d’application. Après tout, GaN et SiC appartiennent tous deux à des matériaux à large bande interdite (WBG), et les futurs matériaux semi-conducteurs de quatrième génération comme l'oxyde de gallium (Ga2O3) et les antimonides émergeront progressivement, créant un écosystème technologique diversifié. Par conséquent, ces matériaux ne se remplacent pas mais stimulent collectivement la croissance de l’industrie.**