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(shì)。

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(jiǎn)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(shì)、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(chǎng)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(shì)。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(chǎng)的SiC半導(dǎo)體具有一定優(yōu)勢(shì)。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(zhǎng)遠(yuǎn)來看都將遷移到SiC。另一個(gè)長(zhǎng)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(chǎng)。不過，SiC晶圓制造難度高，對(duì)于長(zhǎng)晶的源頭晶種要求高，不易取得，加上長(zhǎng)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(chǎng)的主要增長(zhǎng)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(chǎng)的主要增長(zhǎng)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(chǎng)直起急追，但相較于前者，其市場(chǎng)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(shì)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(chǎng)中。

3. 市場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)趨勢(shì)

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(chǎng)，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(chǎng)趨勢(shì)

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(chǎng)高速增長(zhǎng)。根據(jù)Yole，全球 GaN功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模在2018年僅為873萬美元，保守預(yù)測(cè)到2024年將超過3.5億美元，18-24年的年均復(fù)合增長(zhǎng)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(chǎng)規(guī)模將超過7.5億美元。推測(cè)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(chǎng)空間有望更大。

氮化鎵(GaN)市場(chǎng)趨勢(shì)

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(chǎng)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(chǎng)快速增長(zhǎng)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(shì)。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(zhǎng)，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(zhǎng)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(cè)，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(cè)，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(zhǎng)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。