多家供應(yīng)商正在推出下一波基于氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的功率半導(dǎo)體浪潮，從而為在市場(chǎng)上與傳統(tǒng)的硅基器件進(jìn)行對(duì)決奠定了基礎(chǔ)。

功率半導(dǎo)體是專門(mén)的晶體管，結(jié)合了GaN，SiC和硅等競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)。功率半導(dǎo)體在汽車(chē)，電源，太陽(yáng)能和火車(chē)等高壓應(yīng)用中用作開(kāi)關(guān)。這些設(shè)備允許電流在“開(kāi)”狀態(tài)下流動(dòng)，并在“關(guān)”狀態(tài)下停止電流。它們提高了效率，并將系統(tǒng)中的能量損失降至最低。

多年來(lái)，功率半導(dǎo)體市場(chǎng)一直以硅器件為主，即功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。兩者都是成熟且便宜的，但它們?cè)趲讉€(gè)方面也達(dá)到了理論極限。

這就是GaN和SiC的優(yōu)勢(shì)。在市場(chǎng)上，多年來(lái)，GaN和SiC器件在各個(gè)領(lǐng)域都與IGBT和MOSFET競(jìng)爭(zhēng)。GaN和SiC都是寬帶隙技術(shù)，這意味著它們比硅基器件更快，更高效。

圖：如何對(duì)電源開(kāi)關(guān)進(jìn)行分類。來(lái)源/英飛凌

但是，GaN和SiC器件的采用率相對(duì)較低，并且不會(huì)在短期內(nèi)取代其硅競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。根據(jù)市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)Yole的研究數(shù)據(jù)，如今，基于硅的設(shè)備在整個(gè)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)中的市場(chǎng)份額超過(guò)90％。通常，GaN和SiC器件是具有挑戰(zhàn)性的一項(xiàng)技術(shù)，且成本高昂。

不過(guò)，這種情況開(kāi)始有所改變。新的GaN和SiC器件在市場(chǎng)上的影響開(kāi)始顯現(xiàn)。如，與硅基器件的個(gè)位數(shù)相比，SiC的增長(zhǎng)速度是兩位數(shù)。Yole分析師Hong Lin表示：“預(yù)計(jì)主要在汽車(chē)市場(chǎng)的推動(dòng)下，碳化硅功率器件市場(chǎng)將快速增長(zhǎng)。” “市場(chǎng)潛力巨大，并且吸引了很多參與者。我們預(yù)計(jì)未來(lái)幾年競(jìng)爭(zhēng)將非常激烈。”

因?yàn)椋β拾雽?dǎo)體市場(chǎng)正迎來(lái)一波技術(shù)變革熱潮。其中：

Cree，ROHM和其他公司正在增加其資本支出并建造新的SiC晶圓廠。供應(yīng)商正在為電池電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的巨大需求做準(zhǔn)備。

汽車(chē)原始設(shè)備制造商正在確保與SiC器件制造商的供應(yīng)協(xié)議，以滿足需求。

GaN功率半導(dǎo)體供應(yīng)商高效功率轉(zhuǎn)換（EPC）正在對(duì)功率MOSFET進(jìn)行所謂的“正面攻擊”。GaN正在各種系統(tǒng)中取得進(jìn)展。

設(shè)備供應(yīng)商看到復(fù)合半導(dǎo)體晶圓廠的需求在增加。

根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，功率器件市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2018年的175億美元增長(zhǎng)到2024年的超過(guò)210億美元。根據(jù)Yole的說(shuō)法，其中SiC器件市場(chǎng)將從2018年的4.2億美元增長(zhǎng)到2019年的5.64億美元。據(jù)該公司稱，2018年GaN器件市場(chǎng)不到1000萬(wàn)美元。

Si市場(chǎng)如何？

根據(jù)市場(chǎng)權(quán)威機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，全球每小時(shí)總發(fā)電量為120億千瓦。據(jù)稱，全球80％以上的電力是通過(guò)電力電子系統(tǒng)傳輸?shù)摹?/p>

電力電子技術(shù)利用各種設(shè)備來(lái)控制和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的電力，例如汽車(chē)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電源，太陽(yáng)能和風(fēng)力渦輪機(jī)。

通常，在系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)有損耗。例如，根據(jù)NC State的數(shù)據(jù)，一年內(nèi)出售的臺(tái)式PC所浪費(fèi)的電力相當(dāng)于17個(gè)500MW的發(fā)電廠。

因此，該行業(yè)需要更高效的器件，例如功率半導(dǎo)體和其他芯片。

盡管如此，仍有幾種功率半導(dǎo)體可供選擇。在硅片方面，選擇包括功率MOSFET，超結(jié)功率MOSFET和IGBT。

功率MOSFET被認(rèn)為是最便宜和最受歡迎的器件，用于適配器，電源和其他產(chǎn)品。它們用于10V至500V的低壓應(yīng)用。

超結(jié)功率MOSFET是增強(qiáng)型MOSFET，用于500至900V系統(tǒng)中。同時(shí)，領(lǐng)先的中端功率半導(dǎo)體器件是IGBT，其用于1200V至6.6KV的應(yīng)用。

MOSFET在較低電壓段中與GaN器件競(jìng)爭(zhēng)，而IGBT和SiC在高端電壓下并駕齊驅(qū)。所有設(shè)備在600至900V特范圍內(nèi)相互競(jìng)爭(zhēng)。

無(wú)論如何，IGBT和功率MOSFET在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)仍將是主流技術(shù)。英飛凌高級(jí)負(fù)責(zé)人Gerald Deboy表示：“硅技術(shù)是一種非常成熟的技術(shù)，在很多方面具備優(yōu)勢(shì)，包括從供應(yīng)鏈和內(nèi)部生產(chǎn)流程到客戶現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和流程。“這就是為什么許多年以來(lái)基于硅的功率開(kāi)關(guān)將繼續(xù)作為首選技術(shù)的原因。”

但是，基于硅的器件具有一些局限性，例如高傳導(dǎo)損耗和低開(kāi)關(guān)頻率。傳導(dǎo)損耗歸因于設(shè)備中的電阻。

這就是OEM廠商對(duì)GaN和SiC兩種寬帶隙技術(shù)感興趣的原因。硅的帶隙為1.1 eV。相比之下，SiC的帶隙為3.3 eV，而GaN為3.4 eV。

聯(lián)華電子公司市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁Steven Liu說(shuō)：“ GaN和SiC是寬帶隙材料，這意味著晶體中原子的鍵能更高。” “與基于硅的同類產(chǎn)品相比，SiC和GaN具有更高的效率和更小的形狀因數(shù)特性，因此是功率半導(dǎo)體市場(chǎng)很有價(jià)值的組件。在具有相同的相對(duì)電壓和電流處理能力的情況下，這些器件的尺寸可以小得多。”

GaN和SiC功率半導(dǎo)體產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始出貨，但它們?nèi)匀缓馨嘿F。制造成本是阻礙市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要障礙，因?yàn)榻裉靸烧呷灾饕褂?英寸及以下的晶圓進(jìn)行生產(chǎn)。一旦成本可以提高到一定的門(mén)檻，市場(chǎng)規(guī)模就會(huì)爆發(fā)。

根據(jù)英飛凌的說(shuō)法，所有功率半導(dǎo)體類型仍然存在。鑒于英飛凌銷(xiāo)售IGBT，MOSFET，GaN和SiC，因此具有獨(dú)特的視角。

英飛凌Deboy曾說(shuō)：“選擇寬帶隙器件而不是傳統(tǒng)硅的標(biāo)準(zhǔn)取決于平衡特定應(yīng)用的系統(tǒng)成本和性能要求。” “在許多應(yīng)用中，基于寬帶隙材料的系統(tǒng)的成本和性能目標(biāo)都達(dá)到了臨界點(diǎn)。根據(jù)特定的應(yīng)用，即使GaN或SiC器件本身比硅替代品更昂貴，GaN或SiC器件在系統(tǒng)級(jí)的成本位置仍然更好。”

什么是SiC？

碳化硅市場(chǎng)正在升溫。SiC器件的供應(yīng)商包括Cree旗下Wolfspeed，英飛凌，三菱，安森美半導(dǎo)體，意法半導(dǎo)體，ROHM和Toshiba。

SiC是基于硅和碳的化合物半導(dǎo)體材料。它的擊穿場(chǎng)強(qiáng)是硅的10倍，導(dǎo)熱系數(shù)是硅的3倍。

有兩種SiC器件類型：SiC功率MOSFET和二極管。SiC功率MOSFET是功率開(kāi)關(guān)晶體管。二極管在一個(gè)方向通過(guò)電流，而在相反方向阻止電流。

SiC器件目前在150mm的晶圓廠中生產(chǎn)，200mm尚在研發(fā)中。在生產(chǎn)流程中，開(kāi)發(fā)了SiC襯底。在襯底上生長(zhǎng)外延層。然后將其處理到設(shè)備中。

制作基材是最大的挑戰(zhàn)。Applied Materials戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)Llewellyn Vaughan-Edmunds 說(shuō)：“這種較寬的帶隙使材料具有優(yōu)良的特性，例如更快的開(kāi)關(guān)速度和更高的功率密度。” “主要挑戰(zhàn)是基材缺陷。基面位錯(cuò)和螺釘位錯(cuò)會(huì)產(chǎn)生“致命缺陷”，SiC器件必須減少這種缺陷，才能獲得商業(yè)成功所需的高產(chǎn)量。”

為了解決成本問(wèn)題，一些供應(yīng)商正在開(kāi)發(fā)200mm SiC晶圓廠。這將增加每個(gè)晶片的管芯，從而降低成本。

同時(shí)，基于SiC的器件用于600V至10KV的應(yīng)用中。在高端市場(chǎng)，一些公司出售3.3至10KV的設(shè)備，用于電網(wǎng)，火車(chē)和風(fēng)力發(fā)電。

SiC的還可以應(yīng)用在600至1200V特范圍內(nèi)。為此，電動(dòng)汽車(chē)是最大的市場(chǎng)，其次是電源和太陽(yáng)能。

多年來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)原始設(shè)備制造商在車(chē)輛的許多零件中都使用了IGBT和MOSFET。例如，特斯拉不再使用IGBT，而是開(kāi)始將意法半導(dǎo)體的SiC功率器件用于其Model 3汽車(chē)中的牽引逆變器。牽引逆變器向電動(dòng)機(jī)提供牽引力以推動(dòng)車(chē)輛。SiC器件還用于電動(dòng)汽車(chē)的DC-DC轉(zhuǎn)換器和車(chē)載充電器。其他OEM也正在評(píng)估或使用SiC。

不斷發(fā)展的GaN

同時(shí)，二元III-V材料GaN的擊穿場(chǎng)強(qiáng)是硅的兩倍，其電子遷移率是其兩倍。

GaN用于LED，電力電子設(shè)備和RF。GaN的RF版本用于5G，雷達(dá)和其他應(yīng)用。功率開(kāi)關(guān)應(yīng)用中使用了不同的GaN功率器件。EPC，GaN Systems，Navitas，Panasonic，Transphorm和其他公司銷(xiāo)售GaN功率器件。

這些設(shè)備在150mm晶圓上制造。許多供應(yīng)商的設(shè)備都是由Episil和TSMC代工生產(chǎn)的。

在EPC的GaN流程中，氮化鋁（AlN）薄層沉積在硅基板上。在AlN層上生長(zhǎng)GaN層。在GaN層上形成源極，柵極和漏極。

Lam公司曾表示，“從技術(shù)角度看，GaN的成熟程度仍不及SiC。” “如果人們考慮使用硅上GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）技術(shù)，則由于硅上GaN MOCVD的生長(zhǎng)質(zhì)量，良率仍然令人擔(dān)憂。設(shè)備性能和可靠性仍然存在挑戰(zhàn)。”

同時(shí)，在器件方面，GaN半導(dǎo)體針對(duì)不同的市場(chǎng)。EPC和其他產(chǎn)品在15至200V的較低電壓段中競(jìng)爭(zhēng)。在這些領(lǐng)域中，GaN與功率MOSFET競(jìng)爭(zhēng)。

其他公司則在600、650和900V市場(chǎng)中競(jìng)爭(zhēng)。這些器件可與IGBT，MOSFET和SiC競(jìng)爭(zhēng)。

GaN在600V，650V和900V市場(chǎng)，特別是在消費(fèi)類適配器市場(chǎng)和其他系統(tǒng)中，正獲得越來(lái)越多的關(guān)注。

對(duì)于600V特和650V特，GaN適用于適配器，汽車(chē)和電源。GaN的900V特電壓適用于汽車(chē)，電池充電器，電源和太陽(yáng)能。像SiC一樣，GaN試圖在電動(dòng)汽車(chē)中獲得更大的吸引力，特別是對(duì)于車(chē)載充電器和DC-DC轉(zhuǎn)換器。

結(jié)論

顯然，GaN和SiC正在蓬勃發(fā)展。這些器件為工程師設(shè)計(jì)提供了更多選擇。但是它們還不會(huì)取代硅（Si）。因?yàn)樵谝恍┤粘３墒斓漠a(chǎn)品中很難替換熟悉的技術(shù)。