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碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)谁是宽禁带(WBG)材料的未来?

作者:陈玲丽时间:2021-10-08来源:电子产品世界收藏

到目前为止,半导体材料已经过了三个发展阶段 —— 第一代半导体是硅(Si),第二代半导体是砷化(GaAs),第三代半导体又称宽带隙半导体()则是()和()。

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

虽然这个领域并没有“后浪拍前浪,前浪死在沙滩上”的说法,以为代表第三代半导体正处于高速发展的阶段,Si和GaAs等第一、二代半导体材料也仍在产业中大规模应用。但不可否认,第三代半导体确实具有更多的性能优势。

随着5G、电动车时代来临,科技产品对于高频、高速运算、高速充电的需求上升,硅与砷化镓的温度、频率、功率已达极限,难以提升电量和速度;一旦操作温度超过100度时,前两代产品更容易故障,因此无法应用在更严苛的环境;再加上全球开始重视碳排放问题,因此高能效、低能耗的第三代半导体成为新时代下的新宠儿。

第三代半导体在高频状态下仍可以维持优异的效能和稳定度,同时拥有开关速度快、尺寸小、散热迅速等特性,当芯片面积大幅减少后,有助于简化周边电路设计,进而减少模组及冷却系统的体积。

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各具优势、发展领域不同

同为万众瞩目的第三代半导体,SiC和GaN不可避免地会被人拿来做对比。

相似之处

两者相似的地方在于它们都属于半导体的成员 —— 在固态物理学中,禁带宽度是指从半导体或绝缘体的价带顶端到传导带底端的能量差距。如果用最白话的方式说明,代表着一个能量的差距,意即让一个半导体"从绝缘到导电所需的最低能量"。

第一、二代半导体的硅与砷化镓属于低带隙材料,数值分别为1.12eV(电子伏特)和1.43eV,第三代(宽带隙)半导体的带隙,SiC和GaN分别达到3.2eV、3.4eV。

半导体内部电阻非常低,制成的元件与同类硅元件比较,效率可提升70%。低电阻可让半导体运作时的产生的热量降低,达到更高的功率与密度,半导体关断时间极短,能够在非常高的开关频率下运作。

不同之处

SiC和GaN虽然经常将它们相提并论,但实际上,他们之间有一些重要的区别。这些差异导致它们有各自的 "最佳搭档",即材料最适合的应用。

1. 性能对比

半导体通常也被称为化合物半导体,因为他们是由选自周期表中的多个元素组成的。下图比较了Si、SiC和GaN材料的性能,这些材料的属性对电子器件的基本性能特点产生重大影响。

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硅、三种材料关键特性对比

对于射频和开关电源设备而言,显然SiC和GaN两种材料的性能都优于单质硅的,他们的高临界场允许这些器件能在更高的电压和更低的漏电流中操作。高电子迁移率和电子饱和速度允许更高的工作频率。然而SiC电子迁移率高于Si,GaN的电子迁移率又高于SiC,这意味着氮化镓应该最终成为极高频率的最佳设备材料。

另外,高导热系数意味着材料在更有效地传导热量方面占优势。SiC比GaN和Si具有更高的热导率,意味着SiC器件比GaN或Si从理论上可以在更高的功率密度下操作。当高功率是一个关键的理想设备特点时,高导热系数结合宽带隙、高临界场的SiC半导体具有一定优势。GaN相对较差的导热性,使系统设计人员处理氮化镓器件的热量管理面临一个挑战。

还值得注意的是,这两种材料有不同的最佳电压等级。额定击穿电压为100V左右的GaN器件将用于48V以下的中压电源转换。这个电压范围涵盖云计算和电信基础设施应用。此外,电源和墙上插座将包含650V的GaN功率开关,这是适合AC-DC的额定电压,输入电压范围宽达90–240VAC。GaN的高频率使电源的无源元件更小,从而使整体解决方案更紧凑。

相比之下,SiC器件设计用于650V和更高电压。正是在1200V和更高电压下,SiC成为各种应用的最佳解决方案。像太阳能逆变器、电动车充电器和工业AC-DC等应用,从长远来看都将迁移到SiC。另一个长期应用是固态变压器,当前的铜和磁铁变压器将被半导体取代。

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2. 应用对比

GaN和SiC在材料性能上各有优劣,因此在应用领域上各有侧重和互补。

SiC和GaN这两种材料的应用领域略有不同,目前GaN组件常用于电压900V以下之领域,例如充电器、基站、5G通讯相关等高频产品;SiC则是电压大于1200V,例如电动车、电动车充电基础设施、太阳能及离岸风电等绿色能源发电设备。

现今电动车的电池动力系统主要是200V-450V,更高端的车款将朝向800V发展,这将是SiC的主力市场。不过,SiC晶圆制造难度高,对于长晶的源头晶种要求高,不易取得,加上长晶技术困难,因此目前仍无法顺利量产。

· GaN:目前主要用于射频器件、电力电子功率器件以及光电器件。GaN的商业化应用始于LED照明和激光器,其更多是基于GaN的直接带隙特性和光谱特性,相关产业已经发展的非常成熟。射频器件和功率器件是发挥GaN宽禁带半导体特性的主要应用领域。由于5G基站会用到多发多收天线阵列方案,GaN射频器件对于整个天线系统的功耗和尺寸都有巨大的改进,因此5G通信将是GaN射频器件市场的主要增长驱动因素。

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· SiC:SiC能大大降低功率转换中的开关损耗,因此具有更好的能源转换效率,更容易实现模块的小型化,更耐高温,目前主要用于高温、高频、高效能的大功率元件,如智能电网、交通、新能源汽车、光伏、风电。其中,新能源汽车是SiC功率器件市场的主要增长驱动因素,主要的应用器件有功率控制单元(PCU)、逆变器,DC-DC转换器、车载充电器等。

这两种材料可以制造许多有趣的设备。我们目前看到氮化镓被用于低功率/电压,高频率的应用中,而碳化硅被用于高功率,高电压开关电源的应用中。由于SiC已发展十多年了,GaN功率元件是个后进者,因此仅管GaN元件市场直起急追,但相较于前者,其市场仍远远落后。

不过现在只是第三代半导体产业发展的前期,随着近年来全球对于都市基础建设、新能源、节能环保等方面的政策支持,对SiC/GaN等高性能功率元件的需求势必会增大。因此相信在未来,无论是SiC还是GaN一定都能扮演比现在更重要的角色并融入各自的商业市场中。

3. 市场方面

近日,Yole Développement(Yole)估计了碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)这些宽带隙材料的总体应用情况。当前,尽管硅在市场上仍占主导地位,但碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)器件在某些应用中已经是更有效的解决方案。

除意法半导体之外,碳化硅(SiC)领域的玩家还有英飞凌、罗姆和安森美,应用领域主要是工业和汽车。

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碳化硅(SiC)应用市场趋势

在功率GaN行业中,多家OEM与台积电(TSMC),X-Fab或Episil Technologies等建立晶圆生产合作。

氮化镓(GaN)主要销售给消费电子市场,例如用于快速充电器,而且目前已经得到广泛应用。

快速充电器对功率密度和效率要求较高,氮化镓(GaN)则可以缩小体积并降低单位功率的价格。我们已经看到快速充电器的广泛采用,主要来自中国OEM的供应商,如Navitas和Power Integrations。

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氮化镓(GaN)应用市场趋势

GaN可集成外围驱动,减小整体体积:传统的硅器件是垂直结构,不能集成外围驱动;GaN功率器件是平面架构,可以集成外围驱动和控制电路,将IC体积做小,显著降低成本。

GaN功率半导体市场高速增长。根据Yole,全球 GaN功率半导体市场规模在2018年仅为873万美元,保守预测到2024年将超过3.5亿美元,18-24年的年均复合增长率达到85%。若按乐观的情况估计,苹果、三星、华为等手机厂商同样采用GaN电源适配器,预计2024年全球GaN功率半导体市场规模将超过7.5亿美元。推测如果笔记本电脑、平板电脑、轻混电动汽车等都采用GaN快充,市场空间有望更大。

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氮化镓(GaN)市场趋势

SiC/GaN器件价格持续下滑。总体来看,目前SiC/GaN器件成本还是远高于Si产品,但随着技术的进步,产品良率的提升,规模效应的增强,SiC/GaN器件价格持续下滑。受益于SiC/GaN器件技术成熟&成本下降,SiC/GaN器件有望加速渗透。得益于SiC/GaN功率产品性能的提升,其有望在新能源汽车、快充等市场中获得广泛应用。

未来几年中,新能源汽车及充电桩将成为SiC功率半导体市场快速增长的主要驱动力量。新能源汽车应用中,SiC功率半导体相比于Si基器件可实现轻量化和高效率。新能源汽车系统中,应用功率半导体的组件主要包括:DC/AC逆变器、DC/DC转换器、电机驱动器和车载充电器(OBC)。

目前,电动汽车中的功率半导体器件主要为Si基器件,但新兴SiC功率器件在性能上更具优势。在DC/AC逆变器的设计中,SiC模组代替Si模组能够显著降低逆变器的重量和尺寸,同时做到节能,在相近的功率等级下,SiC模组逆变器重量可降低6kg,尺寸可降低43%,同时开关损耗降75%。

SiC功率器件轻量化、高效率、耐高温的特性有助于有效降低新能源汽车系统成本。以2018年特斯拉Model 3中首次搭载的SiC功率器件为例,其轻量化的特性节省了电动汽车内部空间,高效率的特性有效降低了电动汽车电池成本,耐高温(200 度也能正常工作)的特性降低了对冷却系统的要求,节约了冷却成本。虽然应用SiC功率器件增加了300美元左右的前期成本,但是以上方面的改观可节约近2000美元的系统成本,总体来看,采用SiC功率器件带来了1700美元以上的正收益。

受益于新能源汽车中功率半导体价值大幅提升和新能源汽车销售放量增长,车用SiC功率器件有望充分受益。根据英飞凌的统计,传统燃油车向新能源汽车升级大幅增加了半导体器件的价值,约从平均355美元增加至695美元,而其中半导体功率器件增幅更为显著,约从原17美元增长15倍至265美元,为功率半导体尤其是SiC功率半导体带来了更大的机遇。

根据英飞凌的预测,SiC器件在新能源车中的渗透率有望不断提升,将从2020年的3%提升至2025年的20%。根据国际能源署(IEA)的预测,在可持续发展情境下,全球电动汽车保有量将从2019的720万辆以年均超过36%的增速增长至2030年的2.45亿辆。在上述两种因素的作用下,预计车用SiC功率器件将维持旺盛的需求。



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