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碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)誰是寬禁帶(WBG)材料的未來?

作者:陳玲麗時間:2021-10-08來源:電子產品世界收藏

到目前為止,半導體材料已經過了三個發展階段 —— 第一代半導體是硅(Si),第二代半導體是砷化(GaAs),第三代半導體又稱寬帶隙半導體()則是()和()。

本文引用地址:http://www.pfaennle.com/article/202110/428681.htm

雖然這個領域并沒有“后浪拍前浪,前浪死在沙灘上”的說法,以為代表第三代半導體正處于高速發展的階段,Si和GaAs等第一、二代半導體材料也仍在產業中大規模應用。但不可否認,第三代半導體確實具有更多的性能優勢。

隨著5G、電動車時代來臨,科技產品對于高頻、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100度時,前兩代產品更容易故障,因此無法應用在更嚴苛的環境;再加上全球開始重視碳排放問題,因此高能效、低能耗的第三代半導體成為新時代下的新寵兒。

第三代半導體在高頻狀態下仍可以維持優異的效能和穩定度,同時擁有開關速度快、尺寸小、散熱迅速等特性,當芯片面積大幅減少后,有助于簡化周邊電路設計,進而減少模組及冷卻系統的體積。

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各具優勢、發展領域不同

同為萬眾矚目的第三代半導體,SiC和GaN不可避免地會被人拿來做對比。

相似之處

兩者相似的地方在于它們都屬于半導體的成員 —— 在固態物理學中,禁帶寬度是指從半導體或絕緣體的價帶頂端到傳導帶底端的能量差距。如果用最白話的方式說明,代表著一個能量的差距,意即讓一個半導體"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。

半導體內部電阻非常低,制成的元件與同類硅元件比較,效率可提升70%。低電阻可讓半導體運作時的產生的熱量降低,達到更高的功率與密度,半導體關斷時間極短,能夠在非常高的開關頻率下運作。

不同之處

SiC和GaN雖然經常將它們相提并論,但實際上,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

半導體通常也被稱為化合物半導體,因為他們是由選自周期表中的多個元素組成的。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產生重大影響。

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硅、三種材料關鍵特性對比

對于射頻和開關電源設備而言,顯然SiC和GaN兩種材料的性能都優于單質硅的,他們的高臨界場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,高導熱系數意味著材料在更有效地傳導熱量方面占優勢。SiC比GaN和Si具有更高的熱導率,意味著SiC器件比GaN或Si從理論上可以在更高的功率密度下操作。當高功率是一個關鍵的理想設備特點時,高導熱系數結合寬帶隙、高臨界場的SiC半導體具有一定優勢。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功率開關,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。像太陽能逆變器、電動車充電器和工業AC-DC等應用,從長遠來看都將遷移到SiC。另一個長期應用是固態變壓器,當前的銅和磁鐵變壓器將被半導體取代。

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2. 應用對比

GaN和SiC在材料性能上各有優劣,因此在應用領域上各有側重和互補。

SiC和GaN這兩種材料的應用領域略有不同,目前GaN組件常用于電壓900V以下之領域,例如充電器、基站、5G通訊相關等高頻產品;SiC則是電壓大于1200V,例如電動車、電動車充電基礎設施、太陽能及離岸風電等綠色能源發電設備。

現今電動車的電池動力系統主要是200V-450V,更高端的車款將朝向800V發展,這將是SiC的主力市場。不過,SiC晶圓制造難度高,對于長晶的源頭晶種要求高,不易取得,加上長晶技術困難,因此目前仍無法順利量產。

· 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,相關產業已經發展的非常成熟。射頻器件和功率器件是發揮GaN寬禁帶半導體特性的主要應用領域。由于5G基站會用到多發多收天線陣列方案,GaN射頻器件對于整個天線系統的功耗和尺寸都有巨大的改進,因此5G通信將是GaN射頻器件市場的主要增長驅動因素。

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· SiC:SiC能大大降低功率轉換中的開關損耗,因此具有更好的能源轉換效率,更容易實現模塊的小型化,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、交通、新能源汽車、光伏、風電。其中,新能源汽車是SiC功率器件市場的主要增長驅動因素,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,高電壓開關電源的應用中。由于SiC已發展十多年了,GaN功率元件是個后進者,因此僅管GaN元件市場直起急追,但相較于前者,其市場仍遠遠落后。

不過現在只是第三代半導體產業發展的前期,隨著近年來全球對于都市基礎建設、新能源、節能環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增大。因此相信在未來,無論是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市場中。

3. 市場方面

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是更有效的解決方案。

除意法半導體之外,碳化硅(SiC)領域的玩家還有英飛凌、羅姆和安森美,應用領域主要是工業和汽車。

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碳化硅(SiC)應用市場趨勢

在功率GaN行業中,多家OEM與臺積電(TSMC),X-Fab或Episil Technologies等建立晶圓生產合作。

氮化鎵(GaN)主要銷售給消費電子市場,例如用于快速充電器,而且目前已經得到廣泛應用。

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格。我們已經看到快速充電器的廣泛采用,主要來自中國OEM的供應商,如Navitas和Power Integrations。

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氮化鎵(GaN)應用市場趨勢

GaN可集成外圍驅動,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;GaN功率器件是平面架構,可以集成外圍驅動和控制電路,將IC體積做小,顯著降低成本。

GaN功率半導體市場高速增長。根據Yole,全球 GaN功率半導體市場規模在2018年僅為873萬美元,保守預測到2024年將超過3.5億美元,18-24年的年均復合增長率達到85%。若按樂觀的情況估計,蘋果、三星、華為等手機廠商同樣采用GaN電源適配器,預計2024年全球GaN功率半導體市場規模將超過7.5億美元。推測如果筆記本電腦、平板電腦、輕混電動汽車等都采用GaN快充,市場空間有望更大。

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氮化鎵(GaN)市場趨勢

SiC/GaN器件價格持續下滑。總體來看,目前SiC/GaN器件成本還是遠高于Si產品,但隨著技術的進步,產品良率的提升,規模效應的增強,SiC/GaN器件價格持續下滑。受益于SiC/GaN器件技術成熟&成本下降,SiC/GaN器件有望加速滲透。得益于SiC/GaN功率產品性能的提升,其有望在新能源汽車、快充等市場中獲得廣泛應用。

未來幾年中,新能源汽車及充電樁將成為SiC功率半導體市場快速增長的主要驅動力量。新能源汽車應用中,SiC功率半導體相比于Si基器件可實現輕量化和高效率。新能源汽車系統中,應用功率半導體的組件主要包括:DC/AC逆變器、DC/DC轉換器、電機驅動器和車載充電器(OBC)。

目前,電動汽車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勢。在DC/AC逆變器的設計中,SiC模組代替Si模組能夠顯著降低逆變器的重量和尺寸,同時做到節能,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%,同時開關損耗降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汽車內部空間,高效率的特性有效降低了電動汽車電池成本,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可節約近2000美元的系統成本,總體來看,采用SiC功率器件帶來了1700美元以上的正收益。

受益于新能源汽車中功率半導體價值大幅提升和新能源汽車銷售放量增長,車用SiC功率器件有望充分受益。根據英飛凌的統計,傳統燃油車向新能源汽車升級大幅增加了半導體器件的價值,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,約從原17美元增長15倍至265美元,為功率半導體尤其是SiC功率半導體帶來了更大的機遇。

根據英飛凌的預測,SiC器件在新能源車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,在可持續發展情境下,全球電動汽車保有量將從2019的720萬輛以年均超過36%的增速增長至2030年的2.45億輛。在上述兩種因素的作用下,預計車用SiC功率器件將維持旺盛的需求。



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