碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)誰(shuí)是寬禁帶(WBG)材料的未來(lái)？
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到目前為止，半導體材料已經(jīng)過(guò)了三個(gè)發(fā)展階段 —— 第一代半導體是硅(Si)，第二代半導體是砷化(GaAs)，第三代半導體又稱(chēng)寬帶隙半導體(WBG)則是碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202110/428681.htm雖然這個(gè)領(lǐng)域并沒(méi)有“后浪拍前浪，前浪死在沙灘上”的說(shuō)法，以GaN和SiC為代表第三代半導體正處于高速發(fā)展的階段，Si和GaAs等第一、二代半導體材料也仍在產(chǎn)業(yè)中大規模應用。但不可否認，第三代半導體確實(shí)具有更多的性能優(yōu)勢。
隨著(zhù)5G、電動(dòng)車(chē)時(shí)代來(lái)臨，科技產(chǎn)品對于高頻、高速運算、高速充電的需求上升，硅與砷化鎵的溫度、頻率、功率已達極限，難以提升電量和速度；一旦操作溫度超過(guò)100度時(shí)，前兩代產(chǎn)品更容易故障，因此無(wú)法應用在更嚴苛的環(huán)境；再加上全球開(kāi)始重視碳排放問(wèn)題，因此高能效、低能耗的第三代半導體成為新時(shí)代下的新寵兒。
第三代半導體在高頻狀態(tài)下仍可以維持優(yōu)異的效能和穩定度，同時(shí)擁有開(kāi)關(guān)速度快、尺寸小、散熱迅速等特性，當芯片面積大幅減少后，有助于簡(jiǎn)化周邊電路設計，進(jìn)而減少模組及冷卻系統的體積。
SiC和GaN各具優(yōu)勢、發(fā)展領(lǐng)域不同
同為萬(wàn)眾矚目的第三代半導體，SiC和GaN不可避免地會(huì )被人拿來(lái)做對比。
相似之處
兩者相似的地方在于它們都屬于寬禁帶半導體的成員 —— 在固態(tài)物理學(xué)中，禁帶寬度是指從半導體或絕緣體的價(jià)帶頂端到傳導帶底端的能量差距。如果用最白話(huà)的方式說(shuō)明，代表著(zhù)一個(gè)能量的差距，意即讓一個(gè)半導體"從絕緣到導電所需的最低能量"。
第一、二代半導體的硅與砷化鎵屬于低帶隙材料，數值分別為1.12eV(電子伏特)和1.43eV，第三代(寬帶隙)半導體的帶隙，SiC和GaN分別達到3.2eV、3.4eV。
寬禁帶半導體內部電阻非常低，制成的元件與同類(lèi)硅元件比較，效率可提升70%。低電阻可讓半導體運作時(shí)的產(chǎn)生的熱量降低，達到更高的功率與密度，寬禁帶半導體關(guān)斷時(shí)間極短，能夠在非常高的開(kāi)關(guān)頻率下運作。
不同之處
SiC和GaN雖然經(jīng)常將它們相提并論，但實(shí)際上，他們之間有一些重要的區別。這些差異導致它們有各自的 "最佳搭檔"，即材料最適合的應用。
1. 性能對比
碳化硅和氮化鎵半導體通常也被稱(chēng)為化合物半導體，因為他們是由選自周期表中的多個(gè)元素組成的。下圖比較了Si、SiC和GaN材料的性能，這些材料的屬性對電子器件的基本性能特點(diǎn)產(chǎn)生重大影響。
對于射頻和開(kāi)關(guān)電源設備而言，顯然SiC和GaN兩種材料的性能都優(yōu)于單質(zhì)硅的，他們的高臨界場(chǎng)允許這些器件能在更高的電壓和更低的漏電流中操作。高電子遷移率和電子飽和速度允許更高的工作頻率。然而SiC電子遷移率高于Si，GaN的電子遷移率又高于SiC，這意味著(zhù)氮化鎵應該最終成為極高頻率的最佳設備材料。
另外，高導熱系數意味著(zhù)材料在更有效地傳導熱量方面占優(yōu)勢。SiC比GaN和Si具有更高的熱導率，意味著(zhù)SiC器件比GaN或Si從理論上可以在更高的功率密度下操作。當高功率是一個(gè)關(guān)鍵的理想設備特點(diǎn)時(shí)，高導熱系數結合寬帶隙、高臨界場(chǎng)的SiC半導體具有一定優(yōu)勢。GaN相對較差的導熱性，使系統設計人員處理氮化鎵器件的熱量管理面臨一個(gè)挑戰。
還值得注意的是，這兩種材料有不同的最佳電壓等級。額定擊穿電壓為100V左右的GaN器件將用于48V以下的中壓電源轉換。這個(gè)電壓范圍涵蓋云計算和電信基礎設施應用。此外，電源和墻上插座將包含650V的GaN功率開(kāi)關(guān)，這是適合AC-DC的額定電壓，輸入電壓范圍寬達90–240VAC。GaN的高頻率使電源的無(wú)源元件更小，從而使整體解決方案更緊湊。
相比之下，SiC器件設計用于650V和更高電壓。正是在1200V和更高電壓下，SiC成為各種應用的最佳解決方案。像太陽(yáng)能逆變器、電動(dòng)車(chē)充電器和工業(yè)AC-DC等應用，從長(cháng)遠來(lái)看都將遷移到SiC。另一個(gè)長(cháng)期應用是固態(tài)變壓器，當前的銅和磁鐵變壓器將被半導體取代。
2. 應用對比
GaN和SiC在材料性能上各有優(yōu)劣，因此在應用領(lǐng)域上各有側重和互補。
SiC和GaN這兩種材料的應用領(lǐng)域略有不同，目前GaN組件常用于電壓900V以下之領(lǐng)域，例如充電器、基站、5G通訊相關(guān)等高頻產(chǎn)品；SiC則是電壓大于1200V，例如電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)車(chē)充電基礎設施、太陽(yáng)能及離岸風(fēng)電等綠色能源發(fā)電設備。
現今電動(dòng)車(chē)的電池動(dòng)力系統主要是200V-450V，更高端的車(chē)款將朝向800V發(fā)展，這將是SiC的主力市場(chǎng)。不過(guò)，SiC晶圓制造難度高，對于長(cháng)晶的源頭晶種要求高，不易取得，加上長(cháng)晶技術(shù)困難，因此目前仍無(wú)法順利量產(chǎn)。
· GaN：目前主要用于射頻器件、電力電子功率器件以及光電器件。GaN的商業(yè)化應用始于LED照明和激光器，其更多是基于GaN的直接帶隙特性和光譜特性，相關(guān)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展的非常成熟。射頻器件和功率器件是發(fā)揮GaN寬禁帶半導體特性的主要應用領(lǐng)域。由于5G基站會(huì )用到多發(fā)多收天線(xiàn)陣列方案，GaN射頻器件對于整個(gè)天線(xiàn)系統的功耗和尺寸都有巨大的改進(jìn)，因此5G通信將是GaN射頻器件市場(chǎng)的主要增長(cháng)驅動(dòng)因素。
· SiC：SiC能大大降低功率轉換中的開(kāi)關(guān)損耗，因此具有更好的能源轉換效率，更容易實(shí)現模塊的小型化，更耐高溫，目前主要用于高溫、高頻、高效能的大功率元件，如智能電網(wǎng)、交通、新能源汽車(chē)、光伏、風(fēng)電。其中，新能源汽車(chē)是SiC功率器件市場(chǎng)的主要增長(cháng)驅動(dòng)因素，主要的應用器件有功率控制單元(PCU)、逆變器，DC-DC轉換器、車(chē)載充電器等。
這兩種材料可以制造許多有趣的設備。我們目前看到氮化鎵被用于低功率/電壓，高頻率的應用中，而碳化硅被用于高功率，高電壓開(kāi)關(guān)電源的應用中。由于SiC已發(fā)展十多年了，GaN功率元件是個(gè)后進(jìn)者，因此僅管GaN元件市場(chǎng)直起急追，但相較于前者，其市場(chǎng)仍遠遠落后。
不過(guò)現在只是第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前期，隨著(zhù)近年來(lái)全球對于都市基礎建設、新能源、節能環(huán)保等方面的政策支持，對SiC/GaN等高性能功率元件的需求勢必會(huì )增大。因此相信在未來(lái)，無(wú)論是SiC還是GaN一定都能扮演比現在更重要的角色并融入各自的商業(yè)市場(chǎng)中。
3. 市場(chǎng)方面
近日，Yole Développement(Yole)估計了碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)這些寬帶隙材料的總體應用情況。當前，盡管硅在市場(chǎng)上仍占主導地位，但碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)器件在某些應用中已經(jīng)是更有效的解決方案。
除意法半導體之外，碳化硅(SiC)領(lǐng)域的玩家還有英飛凌、羅姆和安森美，應用領(lǐng)域主要是工業(yè)和汽車(chē)。
碳化硅(SiC)應用市場(chǎng)趨勢
在功率GaN行業(yè)中，多家OEM與臺積電(TSMC)，X-Fab或Episil Technologies等建立晶圓生產(chǎn)合作。
氮化鎵(GaN)主要銷(xiāo)售給消費電子市場(chǎng)，例如用于快速充電器，而且目前已經(jīng)得到廣泛應用。
快速充電器對功率密度和效率要求較高，氮化鎵(GaN)則可以縮小體積并降低單位功率的價(jià)格。我們已經(jīng)看到快速充電器的廣泛采用，主要來(lái)自中國OEM的供應商，如Navitas和Power Integrations。
氮化鎵(GaN)應用市場(chǎng)趨勢
GaN可集成外圍驅動(dòng)，減小整體體積：傳統的硅器件是垂直結構，不能集成外圍驅動(dòng)；GaN功率器件是平面架構，可以集成外圍驅動(dòng)和控制電路，將IC體積做小，顯著(zhù)降低成本。
GaN功率半導體市場(chǎng)高速增長(cháng)。根據Yole，全球 GaN功率半導體市場(chǎng)規模在2018年僅為873萬(wàn)美元，保守預測到2024年將超過(guò)3.5億美元，18-24年的年均復合增長(cháng)率達到85%。若按樂(lè )觀(guān)的情況估計，蘋(píng)果、三星、華為等手機廠(chǎng)商同樣采用GaN電源適配器，預計2024年全球GaN功率半導體市場(chǎng)規模將超過(guò)7.5億美元。推測如果筆記本電腦、平板電腦、輕混電動(dòng)汽車(chē)等都采用GaN快充，市場(chǎng)空間有望更大。
氮化鎵(GaN)市場(chǎng)趨勢
SiC/GaN器件價(jià)格持續下滑?？傮w來(lái)看，目前SiC/GaN器件成本還是遠高于Si產(chǎn)品，但隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品良率的提升，規模效應的增強，SiC/GaN器件價(jià)格持續下滑。受益于SiC/GaN器件技術(shù)成熟&成本下降，SiC/GaN器件有望加速滲透。得益于SiC/GaN功率產(chǎn)品性能的提升，其有望在新能源汽車(chē)、快充等市場(chǎng)中獲得廣泛應用。
未來(lái)幾年中，新能源汽車(chē)及充電樁將成為SiC功率半導體市場(chǎng)快速增長(cháng)的主要驅動(dòng)力量。新能源汽車(chē)應用中，SiC功率半導體相比于Si基器件可實(shí)現輕量化和高效率。新能源汽車(chē)系統中，應用功率半導體的組件主要包括：DC/AC逆變器、DC/DC轉換器、電機驅動(dòng)器和車(chē)載充電器(OBC)。
目前，電動(dòng)汽車(chē)中的功率半導體器件主要為Si基器件，但新興SiC功率器件在性能上更具優(yōu)勢。在DC/AC逆變器的設計中，SiC模組代替Si模組能夠顯著(zhù)降低逆變器的重量和尺寸，同時(shí)做到節能，在相近的功率等級下，SiC模組逆變器重量可降低6kg，尺寸可降低43%，同時(shí)開(kāi)關(guān)損耗降75%。
SiC功率器件輕量化、高效率、耐高溫的特性有助于有效降低新能源汽車(chē)系統成本。以2018年特斯拉Model 3中首次搭載的SiC功率器件為例，其輕量化的特性節省了電動(dòng)汽車(chē)內部空間，高效率的特性有效降低了電動(dòng)汽車(chē)電池成本，耐高溫(200 度也能正常工作)的特性降低了對冷卻系統的要求，節約了冷卻成本。雖然應用SiC功率器件增加了300美元左右的前期成本，但是以上方面的改觀(guān)可節約近2000美元的系統成本，總體來(lái)看，采用SiC功率器件帶來(lái)了1700美元以上的正收益。
受益于新能源汽車(chē)中功率半導體價(jià)值大幅提升和新能源汽車(chē)銷(xiāo)售放量增長(cháng)，車(chē)用SiC功率器件有望充分受益。根據英飛凌的統計，傳統燃油車(chē)向新能源汽車(chē)升級大幅增加了半導體器件的價(jià)值，約從平均355美元增加至695美元，而其中半導體功率器件增幅更為顯著(zhù)，約從原17美元增長(cháng)15倍至265美元，為功率半導體尤其是SiC功率半導體帶來(lái)了更大的機遇。
根據英飛凌的預測，SiC器件在新能源車(chē)中的滲透率有望不斷提升，將從2020年的3%提升至2025年的20%。根據國際能源署(IEA)的預測，在可持續發(fā)展情境下，全球電動(dòng)汽車(chē)保有量將從2019的720萬(wàn)輛以年均超過(guò)36%的增速增長(cháng)至2030年的2.45億輛。在上述兩種因素的作用下，預計車(chē)用SiC功率器件將維持旺盛的需求。
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