碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)誰是寬禁帶(WBG)材料的未來？

到目前為止，半導(dǎo)體材料已經(jīng)過了三個(gè)發(fā)展階段 —— 第一代半導(dǎo)體是硅(Si)，第二代半導(dǎo)體是砷化(GaAs)，第三代半導(dǎo)體又稱寬帶隙半導(dǎo)體(WBG)則是碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)。

雖然這個(gè)領(lǐng)域并沒有“后浪拍前浪，前浪死在沙灘上”的說法，以GaN和SiC為代表第三代半導(dǎo)體正處于高速發(fā)展的階段，Si和GaAs等第一、二代半導(dǎo)體材料也仍在產(chǎn)業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用。但不可否認(rèn)，第三代半導(dǎo)體確實(shí)具有更多的性能優(yōu)勢。

隨著5G、電動(dòng)車時(shí)代來臨，科技產(chǎn)品對(duì)于高頻、高速運(yùn)算、高速充電的需求上升，硅與砷化鎵的溫度、頻率、功率已達(dá)極限，難以提升電量和速度；一旦操作溫度超過100度時(shí)，前兩代產(chǎn)品更容易故障，因此無法應(yīng)用在更嚴(yán)苛的環(huán)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(dǎo)體成為新時(shí)代下的新寵兒。

第三代半導(dǎo)體在高頻狀態(tài)下仍可以維持優(yōu)異的效能和穩(wěn)定度，同時(shí)擁有開關(guān)速度快、尺寸小、散熱迅速等特性，當(dāng)芯片面積大幅減少后，有助于簡化周邊電路設(shè)計(jì)，進(jìn)而減少模組及冷卻系統(tǒng)的體積。

SiC和GaN各具優(yōu)勢、發(fā)展領(lǐng)域不同

同為萬眾矚目的第三代半導(dǎo)體，SiC和GaN不可避免地會(huì)被人拿來做對(duì)比。

相似之處

碳化硅和氮化鎵半導(dǎo)體通常也被稱為化合物半導(dǎo)體，因?yàn)樗麄兪怯蛇x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(duì)電子器件的基本性能特點(diǎn)產(chǎn)生重大影響。

硅、碳化硅，氮化鎵三種材料關(guān)鍵特性對(duì)比

對(duì)于射頻和開關(guān)電源設(shè)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(yīng)該最終成為極高頻率的最佳設(shè)備材料。

另外，高導(dǎo)熱系數(shù)意味著材料在更有效地傳導(dǎo)熱量方面占優(yōu)勢。SiC比GaN和Si具有更高的熱導(dǎo)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(dāng)高功率是一個(gè)關(guān)鍵的理想設(shè)備特點(diǎn)時(shí)，高導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)合寬帶隙、高臨界場的SiC半導(dǎo)體具有一定優(yōu)勢。GaN相對(duì)較差的導(dǎo)熱性，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員處理氮化鎵器件的熱量管理面臨一個(gè)挑戰(zhàn)。

還值得注意的是，這兩種材料有不同的最佳電壓等級(jí)。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(zhuǎn)換。這個(gè)電壓范圍涵蓋云計(jì)算和電信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用。此外，電源和墻上插座將包含650V的GaN功率開關(guān)，這是適合AC-DC的額定電壓，輸入電壓范圍寬達(dá)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(shè)計(jì)用于650V和更高電壓。正是在1200V和更高電壓下，SiC成為各種應(yīng)用的最佳解決方案。像太陽能逆變器、電動(dòng)車充電器和工業(yè)AC-DC等應(yīng)用，從長遠(yuǎn)來看都將遷移到SiC。另一個(gè)長期應(yīng)用是固態(tài)變壓器，當(dāng)前的銅和磁鐵變壓器將被半導(dǎo)體取代。

2. 應(yīng)用對(duì)比

GaN和SiC在材料性能上各有優(yōu)劣，因此在應(yīng)用領(lǐng)域上各有側(cè)重和互補(bǔ)。

SiC和GaN這兩種材料的應(yīng)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、電動(dòng)車充電基礎(chǔ)設(shè)施、太陽能及離岸風(fēng)電等綠色能源發(fā)電設(shè)備。

現(xiàn)今電動(dòng)車的電池動(dòng)力系統(tǒng)主要是200V-450V，更高端的車款將朝向800V發(fā)展，這將是SiC的主力市場。不過，SiC晶圓制造難度高，對(duì)于長晶的源頭晶種要求高，不易取得，加上長晶技術(shù)困難，因此目前仍無法順利量產(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(yīng)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(dǎo)體特性的主要應(yīng)用領(lǐng)域。由于5G基站會(huì)用到多發(fā)多收天線陣列方案，GaN射頻器件對(duì)于整個(gè)天線系統(tǒng)的功耗和尺寸都有巨大的改進(jìn)，因此5G通信將是GaN射頻器件市場的主要增長驅(qū)動(dòng)因素。

· SiC：SiC能大大降低功率轉(zhuǎn)換中的開關(guān)損耗，因此具有更好的能源轉(zhuǎn)換效率，更容易實(shí)現(xiàn)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、光伏、風(fēng)電。其中，新能源汽車是SiC功率器件市場的主要增長驅(qū)動(dòng)因素，主要的應(yīng)用器件有功率控制單元(PCU)、逆變器，DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器等。

這兩種材料可以制造許多有趣的設(shè)備。我們目前看到氮化鎵被用于低功率/電壓，高頻率的應(yīng)用中，而碳化硅被用于高功率，高電壓開關(guān)電源的應(yīng)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元件市場直起急追，但相較于前者，其市場仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。

不過現(xiàn)在只是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前期，隨著近年來全球?qū)τ诙际谢A(chǔ)建設(shè)、新能源、節(jié)能環(huán)保等方面的政策支持，對(duì)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，無論是SiC還是GaN一定都能扮演比現(xiàn)在更重要的角色并融入各自的商業(yè)市場中。

3. 市場方面

近日，Yole Développement(Yole)估計(jì)了碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)這些寬帶隙材料的總體應(yīng)用情況。當(dāng)前，盡管硅在市場上仍占主導(dǎo)地位，但碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)器件在某些應(yīng)用中已經(jīng)是更有效的解決方案。

除意法半導(dǎo)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(yīng)用領(lǐng)域主要是工業(yè)和汽車。

碳化硅(SiC)應(yīng)用市場趨勢

在功率GaN行業(yè)中，多家OEM與臺(tái)積電(TSMC)，X-Fab或Episil Technologies等建立晶圓生產(chǎn)合作。

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

快速充電器對(duì)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，主要來自中國OEM的供應(yīng)商，如Navitas和Power Integrations。

氮化鎵(GaN)應(yīng)用市場趨勢

GaN可集成外圍驅(qū)動(dòng)，減小整體體積：傳統(tǒng)的硅器件是垂直結(jié)構(gòu)，不能集成外圍驅(qū)動(dòng)；GaN功率器件是平面架構(gòu)，可以集成外圍驅(qū)動(dòng)和控制電路，將IC體積做小，顯著降低成本。

GaN功率半導(dǎo)體市場高速增長。根據(jù)Yole，全球 GaN功率半導(dǎo)體市場規(guī)模在2018年僅為873萬美元，保守預(yù)測到2024年將超過3.5億美元，18-24年的年均復(fù)合增長率達(dá)到85%。若按樂觀的情況估計(jì)，蘋果、三星、華為等手機(jī)廠商同樣采用GaN電源適配器，預(yù)計(jì)2024年全球GaN功率半導(dǎo)體市場規(guī)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(dòng)汽車等都采用GaN快充，市場空間有望更大。

氮化鎵(GaN)市場趨勢

SiC/GaN器件價(jià)格持續(xù)下滑?？傮w來看，目前SiC/GaN器件成本還是遠(yuǎn)高于Si產(chǎn)品，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品良率的提升，規(guī)模效應(yīng)的增強(qiáng)，SiC/GaN器件價(jià)格持續(xù)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、快充等市場中獲得廣泛應(yīng)用。

未來幾年中，新能源汽車及充電樁將成為SiC功率半導(dǎo)體市場快速增長的主要驅(qū)動(dòng)力量。新能源汽車應(yīng)用中，SiC功率半導(dǎo)體相比于Si基器件可實(shí)現(xiàn)輕量化和高效率。新能源汽車系統(tǒng)中，應(yīng)用功率半導(dǎo)體的組件主要包括：DC/AC逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和車載充電器(OBC)。

目前，電動(dòng)汽車中的功率半導(dǎo)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(shè)計(jì)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(shí)做到節(jié)能，在相近的功率等級(jí)下，SiC模組逆變器重量可降低6kg，尺寸可降低43%，同時(shí)開關(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系統(tǒng)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(jié)省了電動(dòng)汽車內(nèi)部空間，高效率的特性有效降低了電動(dòng)汽車電池成本，耐高溫(200 度也能正常工作)的特性降低了對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求，節(jié)約了冷卻成本。雖然應(yīng)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(jié)約近2000美元的系統(tǒng)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(dǎo)體價(jià)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(jù)英飛凌的統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)燃油車向新能源汽車升級(jí)大幅增加了半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體尤其是SiC功率半導(dǎo)體帶來了更大的機(jī)遇。

根據(jù)英飛凌的預(yù)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(jù)國際能源署(IEA)的預(yù)測，在可持續(xù)發(fā)展情境下，全球電動(dòng)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(yù)計(jì)車用SiC功率器件將維持旺盛的需求。