多家供應商正在推出下一波基于氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的功率半導體浪潮，從而為在市場上與傳統的硅基器件進行對決奠定了基礎。

功(gong)率半導(dao)體(ti)是專門(men)的(de)晶體(ti)管，結合了(le)GaN，SiC和(he)(he)硅等(deng)競爭技術。功(gong)率半導(dao)體(ti)在(zai)(zai)汽車，電(dian)(dian)源(yuan)，太陽(yang)能(neng)和(he)(he)火(huo)車等(deng)高壓應(ying)用中(zhong)用作開關。這(zhe)些(xie)設備(bei)允許(xu)電(dian)(dian)流(liu)在(zai)(zai)“開”狀(zhuang)態下流(liu)動，并(bing)在(zai)(zai)“關”狀(zhuang)態下停(ting)止電(dian)(dian)流(liu)。它們提高了(le)效率，并(bing)將系統(tong)中(zhong)的(de)能(neng)量損(sun)失降至最低(di)。

多年來(lai)，功率(lv)半導體市場一直以硅器(qi)件(jian)為主，即功率(lv)MOSFET和(he)絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。兩者都是成(cheng)熟(shu)且便宜(yi)的(de)，但它們(men)在幾個(ge)方面也達到了理論極限。

這就是GaN和SiC的(de)優勢。在(zai)市場上，多(duo)年(nian)來，GaN和SiC器(qi)件在(zai)各(ge)個領域都(dou)與(yu)IGBT和MOSFET競爭。GaN和SiC都(dou)是寬帶(dai)隙(xi)技術，這意(yi)味著它們比硅基器(qi)件更快，更高效。

圖：如何對電源開關進行分(fen)類(lei)。來源/英飛凌

但是，GaN和SiC器(qi)(qi)件(jian)的采用(yong)率(lv)相對(dui)較低，并且(qie)不會在(zai)短期(qi)內取代其硅(gui)競(jing)爭對(dui)手(shou)。根(gen)據市(shi)場分析機(ji)構Yole的研究數據，如(ru)今(jin)，基于硅(gui)的設備在(zai)整個功率(lv)半導(dao)體(ti)市(shi)場中的市(shi)場份額超過90％。通常，GaN和SiC器(qi)(qi)件(jian)是具有挑戰(zhan)性的一項(xiang)技術(shu)，且(qie)成本(ben)高昂。

不過，這種情況開(kai)始有(you)所改(gai)變。新的(de)(de)GaN和SiC器(qi)件(jian)在市(shi)場上的(de)(de)影響開(kai)始顯現。如，與硅(gui)基(ji)器(qi)件(jian)的(de)(de)個位(wei)(wei)數相(xiang)比，SiC的(de)(de)增(zeng)長速度(du)是(shi)兩位(wei)(wei)數。Yole分(fen)析師Hong Lin表示(shi)：“預計(ji)主要在汽車市(shi)場的(de)(de)推動下，碳化(hua)硅(gui)功率(lv)器(qi)件(jian)市(shi)場將快速增(zeng)長。” “市(shi)場潛力巨大(da)，并且吸引了很(hen)多參(can)與者。我們預計(ji)未來(lai)幾年競爭將非常激烈(lie)。”

因為，功率半導體市場正迎來(lai)一(yi)波(bo)技術變(bian)革熱(re)潮。其中：

Cree，ROHM和(he)其(qi)他(ta)公(gong)司(si)正在(zai)增(zeng)加其(qi)資本支出并(bing)建(jian)造(zao)新的(de)SiC晶圓廠。供(gong)應商(shang)正在(zai)為電(dian)池電(dian)動汽車市場的(de)巨大(da)需求做準(zhun)備。

汽車原(yuan)始設備制造(zao)商正(zheng)在確(que)保與(yu)SiC器件制造(zao)商的供應協議，以滿足需求(qiu)。

GaN功(gong)(gong)率半導體供應商高效功(gong)(gong)率轉(zhuan)換（EPC）正在對功(gong)(gong)率MOSFET進行所謂的“正面攻擊”。GaN正在各種(zhong)系統中取得進展。

設備供(gong)應商看(kan)到(dao)復(fu)合半導體晶圓廠的需求在增加(jia)。

根(gen)據(ju)(ju)Yole的(de)(de)(de)數據(ju)(ju)，功率(lv)器件(jian)市(shi)場(chang)(chang)預計將(jiang)從(cong)2018年(nian)的(de)(de)(de)175億(yi)美元(yuan)(yuan)增長到2024年(nian)的(de)(de)(de)超(chao)過210億(yi)美元(yuan)(yuan)。根(gen)據(ju)(ju)Yole的(de)(de)(de)說法，其中SiC器件(jian)市(shi)場(chang)(chang)將(jiang)從(cong)2018年(nian)的(de)(de)(de)4.2億(yi)美元(yuan)(yuan)增長到2019年(nian)的(de)(de)(de)5.64億(yi)美元(yuan)(yuan)。據(ju)(ju)該公司稱，2018年(nian)GaN器件(jian)市(shi)場(chang)(chang)不到1000萬美元(yuan)(yuan)。

Si市場如何？

根據(ju)市(shi)場權威(wei)機(ji)構的(de)數(shu)據(ju)，全球每(mei)小(xiao)時(shi)總發電量為120億千瓦。據(ju)稱，全球80％以上的(de)電力是通過(guo)電力電子系統傳(chuan)輸的(de)。

電力(li)電子技術利用各種(zhong)設備來(lai)控制和轉換系(xi)統中(zhong)的電力(li)，例如汽(qi)車(che)，電機驅(qu)動器(qi)，電源，太陽能和風(feng)力(li)渦輪機。

通(tong)常，在系(xi)統的(de)(de)轉(zhuan)換過程中會(hui)有(you)損耗。例如，根據(ju)NC State的(de)(de)數據(ju)，一年內(nei)出售的(de)(de)臺(tai)式PC所浪費的(de)(de)電力相當于17個500MW的(de)(de)發電廠。

因此(ci)，該行業需要更高效的(de)器件，例如(ru)功率(lv)半導體(ti)和其他芯(xin)片(pian)。

盡管如此(ci)，仍有(you)幾種功(gong)率半(ban)導體可供選擇。在硅(gui)片方面，選擇包括功(gong)率MOSFET，超結(jie)功(gong)率MOSFET和IGBT。

功率MOSFET被認(ren)為是最便(bian)宜和最受(shou)歡迎的(de)器件，用于適配器，電(dian)源(yuan)和其他產品(pin)。它們用于10V至500V的(de)低壓應用。

超結功率MOSFET是增強(qiang)型MOSFET，用(yong)于500至(zhi)900V系統中。同時，領先(xian)的中端(duan)功率半(ban)導體器件是IGBT，其用(yong)于1200V至(zhi)6.6KV的應用(yong)。

MOSFET在(zai)較低電壓(ya)段中(zhong)與(yu)GaN器件(jian)競(jing)爭(zheng)，而IGBT和SiC在(zai)高端電壓(ya)下并駕齊驅。所有設備在(zai)600至900V特范圍(wei)內相(xiang)互競(jing)爭(zheng)。

無論如何，IGBT和功(gong)(gong)率(lv)MOSFET在(zai)可預見的將(jiang)(jiang)來仍(reng)將(jiang)(jiang)是(shi)主流技(ji)術。英飛凌高級負責人Gerald Deboy表示(shi)：“硅技(ji)術是(shi)一(yi)種非(fei)常成熟的技(ji)術，在(zai)很多方面(mian)具備優勢，包(bao)括從(cong)供應(ying)鏈和內(nei)部生產流程到客戶(hu)現(xian)有的設計和流程。“這就是(shi)為什么許多年以來基(ji)于硅的功(gong)(gong)率(lv)開關(guan)將(jiang)(jiang)繼續作為首(shou)選技(ji)術的原因。”

但(dan)是，基于硅的(de)器件具(ju)有一些局限性，例如高傳(chuan)導損耗和低開關頻率。傳(chuan)導損耗歸因于設備中的(de)電阻。

這(zhe)就是OEM廠商對(dui)GaN和SiC兩種寬(kuan)帶隙(xi)技術感興趣的原因。硅的帶隙(xi)為1.1 eV。相(xiang)比之(zhi)下，SiC的帶隙(xi)為3.3 eV，而GaN為3.4 eV。

聯華(hua)電子(zi)公司(si)市場(chang)營(ying)銷副總裁Steven Liu說：“ GaN和SiC是寬帶(dai)隙材料，這(zhe)意味著(zhu)晶體(ti)中原子(zi)的(de)鍵能(neng)更高(gao)。” “與基于硅的(de)同類產品相比(bi)，SiC和GaN具(ju)有更高(gao)的(de)效率(lv)和更小的(de)形(xing)狀因數(shu)特性，因此是功率(lv)半導(dao)體(ti)市場(chang)很(hen)有價值的(de)組件(jian)(jian)。在具(ju)有相同的(de)相對電壓(ya)和電流處理能(neng)力的(de)情況下，這(zhe)些器件(jian)(jian)的(de)尺寸可以小得多。”

GaN和SiC功率半導體產品(pin)已經開始出貨，但(dan)它(ta)們仍(reng)然很(hen)昂貴(gui)。制造(zao)成本是阻礙市場增長的(de)主(zhu)要障(zhang)礙，因為今天兩(liang)者仍(reng)主(zhu)要使(shi)用(yong)6英寸(cun)及以(yi)(yi)下的(de)晶(jing)圓進行生(sheng)產。一旦成本可以(yi)(yi)提高到一定的(de)門檻，市場規(gui)模就會爆(bao)發。

根據英飛凌的(de)說法，所(suo)有功率半導體類型仍然(ran)存在。鑒于英飛凌銷售IGBT，MOSFET，GaN和SiC，因(yin)此具有獨(du)特的(de)視(shi)角。

英飛凌(ling)Deboy曾(ceng)說：“選擇(ze)寬(kuan)帶隙器(qi)件(jian)而不是傳統(tong)硅的(de)標準(zhun)取決于平衡(heng)特(te)定(ding)(ding)應(ying)(ying)用的(de)系統(tong)成本和(he)性能要(yao)求。” “在許多應(ying)(ying)用中，基于寬(kuan)帶隙材料的(de)系統(tong)的(de)成本和(he)性能目標都達(da)到了臨界點(dian)。根據特(te)定(ding)(ding)的(de)應(ying)(ying)用，即使GaN或(huo)SiC器(qi)件(jian)本身(shen)比硅替代品(pin)更(geng)昂(ang)貴，GaN或(huo)SiC器(qi)件(jian)在系統(tong)級的(de)成本位置仍(reng)然更(geng)好。”

什么是SiC？

碳化硅市場正在(zai)升溫。SiC器件的供應商包括Cree旗下Wolfspeed，英飛凌(ling)，三菱，安森美(mei)半導(dao)體，意法半導(dao)體，ROHM和Toshiba。

SiC是基于(yu)硅和(he)碳的化(hua)合(he)物(wu)半導體材料(liao)。它的擊穿(chuan)場(chang)強是硅的10倍，導熱(re)系數(shu)是硅的3倍。

有兩種SiC器(qi)件類型：SiC功(gong)率MOSFET和二極管。SiC功(gong)率MOSFET是功(gong)率開關晶體(ti)管。二極管在(zai)一個方向通過電流，而(er)在(zai)相反方向阻止電流。

SiC器(qi)件目前在(zai)(zai)150mm的晶(jing)圓廠中(zhong)(zhong)生(sheng)產，200mm尚在(zai)(zai)研(yan)發中(zhong)(zhong)。在(zai)(zai)生(sheng)產流(liu)程中(zhong)(zhong)，開發了SiC襯(chen)底(di)。在(zai)(zai)襯(chen)底(di)上生(sheng)長外延層(ceng)。然后將其(qi)處(chu)理到(dao)設備(bei)中(zhong)(zhong)。

制(zhi)作基材(cai)是(shi)最(zui)大的挑戰(zhan)。Applied Materials戰(zhan)略(lve)營銷總監(jian)Llewellyn Vaughan-Edmunds 說：“這種較寬的帶隙使材(cai)料具有優良的特性，例如更快的開關速(su)度(du)和更高(gao)的功率密(mi)度(du)。” “主(zhu)要挑戰(zhan)是(shi)基材(cai)缺(que)陷。基面(mian)位(wei)錯(cuo)和螺(luo)釘位(wei)錯(cuo)會產(chan)(chan)生“致命缺(que)陷”，SiC器(qi)件必須(xu)減少這種缺(que)陷，才能獲得商業成(cheng)功所需的高(gao)產(chan)(chan)量(liang)。”

為了解決成(cheng)本問題，一些供應商(shang)正在開發200mm SiC晶圓廠。這將增加(jia)每(mei)個晶片的管芯，從而降(jiang)低成(cheng)本。

同時，基于(yu)(yu)SiC的器件用(yong)于(yu)(yu)600V至10KV的應用(yong)中。在高端市場，一些公司出(chu)售3.3至10KV的設(she)備(bei)，用(yong)于(yu)(yu)電網，火車和風力發(fa)電。

SiC的還可以應用在(zai)600至1200V特范圍內(nei)。為(wei)此(ci)，電動汽車是最大的市場，其次是電源和太陽能。

多(duo)年來，電動(dong)汽車原始設備制造(zao)商(shang)在車輛(liang)的(de)許多(duo)零件中(zhong)都使用(yong)了IGBT和(he)MOSFET。例如，特斯拉不(bu)再使用(yong)IGBT，而是(shi)開始將意法半(ban)導體的(de)SiC功率器(qi)件用(yong)于(yu)其(qi)Model 3汽車中(zhong)的(de)牽引逆(ni)變(bian)器(qi)。牽引逆(ni)變(bian)器(qi)向電動(dong)機(ji)提供牽引力以(yi)推動(dong)車輛(liang)。SiC器(qi)件還用(yong)于(yu)電動(dong)汽車的(de)DC-DC轉換(huan)器(qi)和(he)車載充電器(qi)。其(qi)他OEM也正在評估或使用(yong)SiC。

不斷發展的GaN

同時，二元III-V材料GaN的擊穿(chuan)場強(qiang)是硅的兩(liang)倍，其電子(zi)遷(qian)移率是其兩(liang)倍。

GaN用于(yu)LED，電(dian)力(li)電(dian)子設備和(he)RF。GaN的RF版本用于(yu)5G，雷達和(he)其(qi)他應(ying)(ying)用。功率開關應(ying)(ying)用中使用了不同的GaN功率器件。EPC，GaN Systems，Navitas，Panasonic，Transphorm和(he)其(qi)他公司銷售GaN功率器件。

這(zhe)些設備在150mm晶圓上制造。許多(duo)供應商的設備都是由Episil和TSMC代工生產的。

在EPC的GaN流(liu)程中，氮化鋁（AlN）薄層沉積在硅基板上。在AlN層上生(sheng)長GaN層。在GaN層上形成源極(ji)，柵(zha)極(ji)和(he)漏極(ji)。

Lam公司曾(ceng)表示，“從技術角(jiao)度看，GaN的成熟程度仍(reng)不及SiC。” “如果人(ren)們考(kao)慮使用硅上(shang)(shang)GaN HEMT（高電子遷(qian)移(yi)率晶體管）技術，則(ze)由于硅上(shang)(shang)GaN MOCVD的生長質量，良率仍(reng)然令人(ren)擔憂。設備性能和可靠(kao)性仍(reng)然存在挑戰。”

同(tong)時(shi)，在器件方(fang)面，GaN半導體針對(dui)不(bu)同(tong)的市場。EPC和(he)其他產品在15至200V的較低電壓段中競(jing)爭(zheng)。在這些領域中，GaN與功(gong)率MOSFET競(jing)爭(zheng)。

其他公司(si)則在600、650和900V市場(chang)中(zhong)競爭。這(zhe)些器件(jian)可與(yu)IGBT，MOSFET和SiC競爭。

GaN在600V，650V和900V市(shi)場，特別是在消(xiao)費類(lei)適配(pei)器(qi)市(shi)場和其(qi)他(ta)系統中，正(zheng)獲得(de)越(yue)來越(yue)多(duo)的關(guan)注。

對于600V特(te)和650V特(te)，GaN適(shi)用(yong)于適(shi)配器(qi)，汽車(che)和電(dian)(dian)(dian)源(yuan)。GaN的(de)900V特(te)電(dian)(dian)(dian)壓適(shi)用(yong)于汽車(che)，電(dian)(dian)(dian)池充電(dian)(dian)(dian)器(qi)，電(dian)(dian)(dian)源(yuan)和太陽能(neng)。像SiC一樣(yang)，GaN試圖在(zai)電(dian)(dian)(dian)動汽車(che)中獲得更大的(de)吸引力，特(te)別是對于車(che)載充電(dian)(dian)(dian)器(qi)和DC-DC轉換(huan)器(qi)。

結論

顯(xian)然，GaN和SiC正在蓬勃發展。這些器件為工程師設(she)計提供了更(geng)多選擇。但(dan)是它們還不會取(qu)代(dai)硅（Si）。因為在一些日常(chang)成熟的(de)產品中(zhong)很難替(ti)換熟悉的(de)技術(shu)。