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。

功率半導體是專門的晶體管，結合了GaN，SiC和硅等競爭技術。功率半導體在汽車，電源，太陽能和火車等高壓應用中用作開關。這些設備允許電流在“開”狀態(tài)下流動，并在“關”狀態(tài)下停止電流。它們提高了效率，并將系統中的能量損失降至最低。

多年來，功率半導體市場一直以硅器件為主，即功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。兩者都是成熟且便宜的，但它們在幾個方面也達到了理論極限。

這就是GaN和SiC的優(yōu)勢。在市場上，多年來，GaN和SiC器件在各個領域都與IGBT和MOSFET競爭。GaN和SiC都是寬帶隙技術，這意味著它們比硅基器件更快，更高效。

圖：如何對電源開關進行分類。來源/英飛凌

但是，GaN和SiC器件的采用率相對較低，并且不會在短期內取代其硅競爭對手。根據市場分析機構Yole的研究數據，如今，基于硅的設備在整個功率半市場中的市場份額超過90％。通常，GaN和SiC器件是具有挑戰(zhàn)性的一項技術，且成本高昂。

不過，這種情況開始有所改變。新的GaN和SiC器件在市場上的影響開始顯現。如，與硅基器件的個位數相比，SiC的增長速度是兩位數。Yole分析師Hong Lin表示：“預計主要在汽車市場的推動下，碳化硅功率器件市場將快速增長。” “市場潛力巨大，并且吸引了很多參與者。我們預計未來幾年競爭將非常激烈。”

因為，功率半導體市場正迎來一波技術變革熱潮。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。供應商正在為電池電動汽車市場的巨大需求做準備。

汽車原始設備制造商正在確保與SiC器件制造商的供應協議，以滿足需求。

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

設備供應商看到復合半導體晶圓廠的需求在增加。

根據Yole的數據，功率器件市場預計將從2018年的175億美元增長到2024年的超過210億美元。根據Yole的說法，其中SiC器件市場將從2018年的4.2億美元增長到2019年的5.64億美元。據該公司稱，2018年GaN器件市場不到1000萬美元。

“Si”會終結？

根據市場權威機構的數據，全球每小時總發(fā)電量為120億千瓦。據稱，全球80％以上的電力是通過電力電子系統傳輸的。

電力電子技術利用各種設備來控制和轉換系統中的電力，例如汽車，電機驅動器，電源，太陽能和風力渦輪機。

通常，在系統的轉換過程中會有損耗。例如，根據NC State的數據，一年內出售的臺式PC所浪費的電力相當于17個500MW的發(fā)電廠。

因此，該行業(yè)需要更高效的器件，例如功率半導體和其他芯片。

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

功率MOSFET被認為是最便宜和最受歡迎的器件，用于適配器，電源和其他產品。它們用于10V至500V的低壓應用。

超結功率MOSFET是增強型MOSFET，用于500至900V系統中。同時，領先的中端功率半導體器件是IGBT，其用于1200V至6.6KV的應用。

MOSFET在較低電壓段中與GaN器件競爭，而IGBT和SiC在高端電壓下并駕齊驅。所有設備在600至900V特范圍內相互競爭。

無論如何，IGBT和功率MOSFET在可預見的將來仍將是主流技術。英飛凌高級負責人Gerald Deboy表示：“硅技術是一種非常成熟的技術，在很多方面具備優(yōu)勢，包括從供應鏈和內部生產流程到客戶現有的設計和流程?！斑@就是為什么許多年以來基于硅的功率開關將繼續(xù)作為首選技術的原因?！?/p>

但是，基于硅的器件具有一些局限性，例如高傳導損耗和低開關頻率。傳導損耗歸因于設備中的電阻。

這就是OEM廠商對GaN和SiC兩種寬帶隙技術感興趣的原因。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。

聯華電子公司市場營銷副總裁Steven Liu說：“ GaN和SiC是寬帶隙材料，這意味著晶體中原子的鍵能更高。” “與基于硅的同類產品相比，SiC和GaN具有更高的效率和更小的形狀因數特性，因此是功率半導體市場很有價值的組件。在具有相同的相對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?！?/p>

GaN和SiC功率半導體產品已經開始出貨，但它們仍然很昂貴。制造成本是阻礙市場增長的主要障礙，因為今天兩者仍主要使用6英寸及以下的晶圓進行生產。一旦成本可以提高到一定的門檻，市場規(guī)模就會爆發(fā)。

根據英飛凌的說法，所有功率半導體類型仍然存在。鑒于英飛凌銷售IGBT，MOSFET，GaN和SiC，因此具有獨特的視角。

英飛凌Deboy曾說：“選擇寬帶隙器件而不是傳統硅的標準取決于平衡特定應用的系統成本和性能要求。” “在許多應用中，基于寬帶隙材料的系統的成本和性能目標都達到了臨界點。根據特定的應用，即使GaN或SiC器件本身比硅替代品更昂貴，GaN或SiC器件在系統級的成本位置仍然更好?！?/p>

什么是SiC？

碳化硅市場正在升溫。SiC器件的供應商包括Cree / Wolfspeed，英飛凌，三菱，安森美半導體，意法半導體，Rohm和Toshiba。

SiC是基于硅和碳的化合物半導體材料。它的擊穿場強是硅的10倍，導熱系數是硅的3倍。

有兩種SiC器件類型：SiC功率MOSFET和二極管。SiC功率MOSFET是功率開關晶體管。二極管在一個方向通過電流，而在相反方向阻止電流。

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

制作基材是最大的挑戰(zhàn)。Applied Materials戰(zhàn)略營銷總監(jiān)Llewellyn Vaughan-Edmunds 說：“這種較寬的帶隙使材料具有優(yōu)良的特性，例如更快的開關速度和更高的功率密度?！?“主要挑戰(zhàn)是基材缺陷?；嫖诲e和螺釘位錯會產生“致命缺陷”，SiC器件必須減少這種缺陷，才能獲得商業(yè)成功所需的高產量?！?/p>

為了解決成本問題，一些供應商正在開發(fā)200mm SiC晶圓廠。這將增加每個晶片的管芯，從而降低成本。

同時，基于SiC的器件用于600V至10KV的應用中。在高端市場，一些公司出售3.3至10KV的設備，用于電網，火車和風力發(fā)電。

SiC的還可以應用在600至1200V特范圍內。為此，電動汽車是最大的市場，其次是電源和太陽能。

多年來，電動汽車原始設備制造商在車輛的許多零件中都使用了IGBT和MOSFET。例如，特斯拉不再使用IGBT，而是開始將意法半導體的SiC功率器件用于其Model 3汽車中的牽引逆變器。牽引逆變器向電動機提供牽引力以推動車輛。SiC器件還用于電動汽車的DC-DC轉換器和車載充電器。其他OEM也正在評估或使用SiC。

不斷發(fā)展的GaN

同時，二元III-V材料GaN的擊穿場強是硅的兩倍，其電子遷移率是其兩倍。

GaN用于LED，電力電子設備和RF。GaN的RF版本用于5G，雷達和其他應用。功率開關應用中使用了不同的GaN功率器件。EPC，GaN Systems，Navitas，Panasonic，Transphorm和其他公司銷售GaN功率器件。

這些設備在150mm晶圓上制造。許多供應商的設備都是由Episil和TSMC代工生產的。

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GaN層。在GaN層上形成源極，柵極和漏極。

Lam公司曾表示，“從技術角度看，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，則由于硅上GaN MOCVD的生長質量，良率仍然令人擔憂。設備性能和可靠性仍然存在挑戰(zhàn)?！?/p>

同時，在器件方面，GaN半導體針對不同的市場。EPC和其他產品在15至200V的較低電壓段中競爭。在這些領域中，GaN與功率MOSFET競爭。

其他公司則在600、650和900V市場中競爭。這些器件可與IGBT，MOSFET和SiC競爭。

GaN在600V，650V和900V市場，特別是在消費類適配器市場和其他系統中，正獲得越來越多的關注。

對于600V特和650V特，GaN適用于適配器，汽車和電源。GaN的900V特電壓適用于汽車，電池充電器，電源和太陽能。像SiC一樣，GaN試圖在電動汽車中獲得更大的吸引力，特別是對于車載充電器和DC-DC轉換器。

結論

顯然，GaN和SiC正在蓬勃發(fā)展。這些器件為工程師設計提供了更多選擇。但是它們還不會取代硅（Si）。因為在一些日常成熟的產品中很難替換熟悉的技術。