GaN dan SiC: Hidup Berdampingan atau Substitusi?

Dorongan terhadap kepadatan daya dan efisiensi yang lebih tinggi telah menjadi pendorong utama inovasi di berbagai industri, termasuk pusat data, energi terbarukan, elektronik konsumen, kendaraan listrik, dan teknologi mengemudi otonom. Dalam bidang material wide bandgap (WBG), Gallium Nitride (GaN) dan Silicon Carbide (SiC) saat ini merupakan dua platform inti, yang dipandang sebagai alat penting yang memimpin inovasi semikonduktor daya. Bahan-bahan ini mengubah industri elektronika daya secara mendalam untuk memenuhi permintaan energi yang terus meningkat.

Bahkan, beberapa perusahaan terkemuka di industri SiC juga aktif menjajaki teknologi GaN. Pada bulan Maret tahun ini, Infineon mengakuisisi startup GaN asal Kanada, GaN Systems, senilai $830 juta secara tunai. Demikian pula, ROHM baru-baru ini memamerkan produk SiC dan GaN terbarunya di PCIM Asia, dengan penekanan khusus pada perangkat GaN HEMT merek EcoGaN mereka. Sebaliknya, pada Agustus 2022, Navitas Semiconductor, yang awalnya berfokus pada teknologi GaN, mengakuisisi GeneSiC, menjadi satu-satunya perusahaan yang didedikasikan untuk portofolio semikonduktor daya generasi berikutnya.

Memang benar, GaN dan SiC menunjukkan beberapa tumpang tindih dalam skenario kinerja dan aplikasi. Oleh karena itu, penting untuk mengevaluasi potensi penerapan kedua bahan ini dari perspektif sistem. Meskipun produsen yang berbeda mungkin memiliki sudut pandang mereka sendiri selama proses penelitian dan pengembangan, penting untuk menilai sudut pandang mereka secara komprehensif dari berbagai aspek, termasuk tren pengembangan, biaya material, kinerja, dan peluang desain.

Apa Tren Utama dalam Industri Elektronika Daya yang Ditemui GaN?

Jim Witham, CEO GaN Systems, tidak memilih untuk mundur seperti eksekutif perusahaan yang diakuisisi lainnya; sebaliknya, dia terus sering tampil di depan umum. Baru-baru ini, dalam pidatonya, ia menekankan pentingnya semikonduktor daya GaN, dan menyatakan bahwa teknologi ini akan membantu perancang dan produsen sistem tenaga mengatasi tiga tren utama yang saat ini mentransformasi industri elektronika daya, dengan GaN memainkan peran penting dalam setiap tren.

CEO Sistem GaN Jim Witham

Pertama, persoalan efisiensi energi. Permintaan listrik global diperkirakan akan melonjak lebih dari 50% pada tahun 2050, sehingga mengoptimalkan efisiensi energi dan mempercepat transisi ke energi terbarukan sangatlah penting. Transisi saat ini tidak hanya berfokus pada efisiensi energi namun juga meluas ke aspek-aspek yang lebih menantang seperti kemandirian energi dan integrasi dengan jaringan listrik utama. Teknologi GaN menawarkan keuntungan penghematan energi yang signifikan dalam aplikasi energi dan penyimpanan. Misalnya, mikroinverter surya yang menggunakan GaN dapat menghasilkan lebih banyak listrik; Penerapan GaN pada konversi AC-DC dan inverter dapat mengurangi pemborosan energi dalam sistem penyimpanan baterai hingga 50%.

Kedua, proses elektrifikasi, khususnya di sektor transportasi. Kendaraan listrik selalu menjadi fokus tren ini. Namun elektrifikasi meluas ke transportasi roda dua dan roda tiga (seperti sepeda, sepeda motor, dan becak) di wilayah perkotaan yang padat penduduknya, khususnya di Asia. Seiring dengan semakin matangnya pasar-pasar ini, keunggulan transistor daya GaN akan menjadi lebih menonjol, dan GaN akan memainkan peran penting dalam meningkatkan kualitas hidup dan perlindungan lingkungan.

Terakhir, dunia digital sedang mengalami perubahan besar-besaran untuk memenuhi kebutuhan data real-time dan pesatnya perkembangan kecerdasan buatan (AI). Teknologi konversi dan distribusi daya saat ini di pusat data tidak dapat memenuhi permintaan komputasi awan dan pembelajaran mesin yang meningkat pesat, terutama aplikasi AI yang haus daya. Dengan mencapai penghematan energi, mengurangi kebutuhan pendinginan, dan meningkatkan efektivitas biaya, teknologi GaN mengubah lanskap pasokan listrik di pusat data. Kombinasi teknologi AI generatif dan GaN akan menciptakan masa depan pusat data yang lebih efisien, berkelanjutan, dan kuat.

Sebagai pemimpin bisnis dan pendukung setia lingkungan hidup, Jim Witham percaya bahwa kemajuan pesat teknologi GaN akan berdampak signifikan pada berbagai industri yang bergantung pada energi dan mempunyai implikasi besar terhadap perekonomian global. Dia juga sependapat dengan prediksi pasar bahwa pendapatan semikonduktor daya GaN akan mencapai $6 miliar dalam lima tahun ke depan, dan mencatat bahwa teknologi GaN menawarkan keunggulan dan peluang unik dalam persaingan dengan SiC.

Bagaimana GaN Dibandingkan dengan SiC dalam Hal Keunggulan Kompetitif?

Di masa lalu, ada beberapa kesalahpahaman tentang semikonduktor daya GaN, dan banyak yang percaya bahwa semikonduktor daya ini lebih cocok untuk aplikasi pengisian daya pada perangkat elektronik konsumen. Namun, perbedaan utama antara GaN dan SiC terletak pada penerapan rentang tegangannya. GaN berkinerja lebih baik pada aplikasi tegangan rendah dan menengah, sedangkan SiC terutama digunakan untuk aplikasi tegangan tinggi melebihi 1200V. Namun demikian, pilihan antara kedua bahan ini melibatkan pertimbangan faktor voltase, kinerja, dan biaya.

Misalnya, pada pameran PCIM Eropa tahun 2023, GaN Systems memamerkan solusi GaN yang menunjukkan kemajuan signifikan dalam kepadatan dan efisiensi daya. Dibandingkan dengan desain transistor SiC, pengisi daya onboard (OBC) 11kW/800V berbasis GaN mencapai peningkatan kepadatan daya sebesar 36% dan pengurangan biaya material sebesar 15%. Desain ini juga mengintegrasikan topologi kapasitor terbang tiga tingkat dalam konfigurasi PFC tiang totem tanpa jembatan dan teknologi jembatan aktif ganda, mengurangi tegangan tegangan hingga 50% menggunakan transistor GaN.

Dalam tiga aplikasi utama kendaraan listrik—pengisi daya onboard (OBC), konverter DC-DC, dan inverter traksi—GaN Systems telah berkolaborasi dengan Toyota untuk mengembangkan prototipe mobil yang seluruhnya GaN, menyediakan solusi OBC siap produksi untuk startup EV Amerika. Canoo, dan bermitra dengan Vitesco Technologies untuk mengembangkan konverter GaN DC-DC untuk sistem tenaga EV 400V dan 800V, sehingga menawarkan lebih banyak pilihan bagi produsen mobil.

Jim Witham percaya bahwa pelanggan yang saat ini bergantung pada SiC kemungkinan besar akan segera beralih ke GaN karena dua alasan: terbatasnya ketersediaan dan tingginya biaya bahan. Seiring dengan meningkatnya permintaan listrik di berbagai industri, mulai dari pusat data hingga otomotif, transisi awal ke teknologi GaN akan memungkinkan perusahaan-perusahaan ini mempersingkat waktu yang diperlukan untuk mengejar pesaing di masa depan.

Dari perspektif rantai pasokan, SiC lebih mahal dan menghadapi kendala pasokan dibandingkan GaN. Karena GaN diproduksi dari wafer silikon, harganya turun dengan cepat seiring dengan meningkatnya permintaan pasar, dan harga serta daya saing di masa depan dapat diprediksi dengan lebih akurat. Sebaliknya, terbatasnya jumlah pemasok SiC dan waktu tunggu yang lama, biasanya hingga satu tahun, dapat meningkatkan biaya dan berdampak pada permintaan manufaktur otomotif setelah tahun 2025.

Dalam hal skalabilitas, GaN hampir dapat diskalakan “tanpa batas” karena dapat diproduksi pada wafer silikon menggunakan peralatan yang sama dengan miliaran perangkat CMOS. GaN akan segera diproduksi pada wafer 8 inci, 12 inci, dan bahkan 15 inci, sedangkan MOSFET SiC biasanya diproduksi pada wafer 4 inci atau 6 inci dan baru mulai bertransisi ke wafer 8 inci.

Dalam hal kinerja teknis, GaN saat ini merupakan perangkat peralihan daya tercepat di dunia, menawarkan kepadatan daya dan efisiensi keluaran yang lebih tinggi dibandingkan perangkat semikonduktor lainnya. Hal ini memberikan manfaat yang signifikan bagi konsumen dan bisnis, baik dalam ukuran perangkat yang lebih kecil, kecepatan pengisian daya yang lebih cepat, atau pengurangan biaya pendinginan dan konsumsi energi untuk pusat data. GaN menunjukkan keuntungan yang sangat besar.

Sistem yang dibangun dengan GaN menunjukkan kepadatan daya yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan SiC. Seiring dengan meluasnya adopsi GaN, produk sistem tenaga listrik baru dengan ukuran yang lebih kecil terus bermunculan, sedangkan SiC tidak dapat mencapai tingkat miniaturisasi yang sama. Menurut GaN Systems, kinerja perangkat generasi pertama mereka telah melampaui perangkat semikonduktor SiC generasi kelima terbaru. Ketika kinerja GaN meningkat 5 hingga 10 kali lipat dalam jangka pendek, kesenjangan kinerja ini diperkirakan akan semakin lebar.

Selain itu, perangkat GaN memiliki keunggulan signifikan seperti pengisian daya gerbang yang rendah, pemulihan balik nol, dan kapasitansi keluaran datar, sehingga memungkinkan kinerja peralihan berkualitas tinggi. Pada aplikasi tegangan menengah hingga rendah di bawah 1200V, rugi-rugi peralihan GaN setidaknya tiga kali lebih rendah dibandingkan SiC. Dari perspektif frekuensi, sebagian besar desain berbasis silikon saat ini beroperasi antara 60kHz dan 300kHz. Meskipun frekuensi SiC telah meningkat, peningkatan GaN lebih nyata, mencapai frekuensi 500kHz dan lebih tinggi.

Karena SiC biasanya digunakan untuk tegangan 1200V dan lebih tinggi dengan hanya beberapa produk yang cocok untuk 650V, penerapannya terbatas pada desain tertentu, seperti elektronik konsumen 30-40V, kendaraan hibrida 48V, dan pusat data, yang semuanya merupakan pasar penting. Oleh karena itu, peran SiC di pasar-pasar ini terbatas. GaN, di sisi lain, unggul dalam level voltase ini, memberikan kontribusi signifikan di sektor pusat data, elektronik konsumen, energi terbarukan, otomotif, dan industri.

Untuk membantu para insinyur lebih memahami perbedaan kinerja antara GaN FET (Field Effect Transistors) dan SiC, Sistem GaN merancang dua catu daya 650V, 15A masing-masing menggunakan SiC dan GaN, dan melakukan uji komparatif terperinci.

Perbandingan Head-to-head GaN vs SiC

Dengan membandingkan GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Transistor) dengan MOSFET SiC terbaik di kelasnya dalam aplikasi peralihan kecepatan tinggi, ditemukan bahwa ketika digunakan pada konverter DC-DC buck sinkron, konverter dengan GaN E- HEMT menunjukkan efisiensi yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan SiC MOSFET. Perbandingan ini dengan jelas menunjukkan bahwa GaN E-HEMT mengungguli SiC MOSFET teratas dalam metrik utama seperti kecepatan peralihan, kapasitansi parasit, kerugian peralihan, dan kinerja termal. Selain itu, dibandingkan dengan SiC, GaN E-HEMT menunjukkan keunggulan signifikan dalam mencapai desain konverter daya yang lebih ringkas dan efisien.

Mengapa GaN Berpotensi Mengungguli SiC Dalam Kondisi Tertentu?

Saat ini, teknologi silikon tradisional telah mencapai batasnya dan tidak dapat memberikan banyak keuntungan yang dimiliki GaN, sementara penerapan SiC terbatas pada skenario penggunaan tertentu. Istilah “dalam kondisi tertentu” mengacu pada keterbatasan bahan-bahan ini dalam penerapan spesifik. Di dunia yang semakin bergantung pada listrik, GaN tidak hanya meningkatkan pasokan produk yang ada namun juga menciptakan solusi inovatif yang membantu bisnis tetap kompetitif.

Saat semikonduktor daya GaN bertransisi dari adopsi awal ke produksi massal, tugas utama pengambil keputusan bisnis adalah menyadari bahwa semikonduktor daya GaN dapat menawarkan tingkat kinerja keseluruhan yang lebih tinggi. Hal ini tidak hanya membantu pelanggan meningkatkan pangsa pasar dan profitabilitas tetapi juga secara efektif mengurangi biaya operasional dan belanja modal.

Pada bulan September tahun ini, Infineon dan GaN Systems bersama-sama meluncurkan platform Gallium Nitride generasi keempat yang baru (Gen 4 GaN Power Platform). Dari catu daya server AI 3,2kW pada tahun 2022 hingga platform generasi keempat saat ini, efisiensinya tidak hanya melampaui standar efisiensi Titanium 80 Plus, namun kepadatan dayanya juga meningkat dari 100W/in³ menjadi 120W/in³. Platform ini tidak hanya menetapkan tolok ukur baru dalam efisiensi dan ukuran energi, namun juga menawarkan kinerja yang jauh lebih unggul.

Singkatnya, apakah perusahaan SiC mengakuisisi perusahaan GaN atau perusahaan GaN mengakuisisi perusahaan SiC, motivasi mendasarnya adalah untuk memperluas pasar dan bidang aplikasinya. Bagaimanapun, GaN dan SiC keduanya termasuk dalam material wide bandgap (WBG), dan material semikonduktor generasi keempat di masa depan seperti Gallium Oxide (Ga2O3) dan Antimonides akan muncul secara bertahap, sehingga menciptakan ekosistem teknologi yang terdiversifikasi. Oleh karena itu, bahan-bahan ini tidak saling menggantikan namun secara kolektif mendorong pertumbuhan industri.**