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        碳化硅霸主地位,是否真的穩(wěn)固?


        來源:中國粉體網(wǎng)   空青

        [導讀]  第三代半導體中,碳化硅的地位真的穩(wěn)固嗎?

        中國粉體網(wǎng)訊  受惠于下游應用市場的強勁需求,碳化硅產(chǎn)業(yè)正處于高速成長期。相比氮化鎵、氮化鋁、金剛石等,地位一目了然。而碳化硅的地位真有我們想象中那么穩(wěn)固嗎?


        來源:中國電科


        氮化鎵:與“碳化硅”正面剛?


        有行業(yè)人士認為,未來,不排除氮化鎵能與碳化硅正面“剛”的可能,特別是汽車領(lǐng)域。


        在國家‘雙碳’政策的支持下,近年來氮化鎵在功率電子領(lǐng)域也開始從消費電子電源不斷向數(shù)據(jù)中心、光伏/儲能、新能源汽車等附加值領(lǐng)域加速滲透,未來這些市場有望成為GaN產(chǎn)品規(guī)模擴張的主要動力。


        2018年,氮化鎵快充進入中國市場之后,充電器的發(fā)展猶如坐上飛天火箭,功率越來越大,從最初的的5W到現(xiàn)在的超百瓦。在移動充電充電器潛伏很久的氮化鎵,在電動車飛速發(fā)展的時代,迎來新機遇。


        3月2日,英飛凌以8.3億美元的價格收購GaN功率半導體廠商 GaN Systems。這一舉動的背后英飛凌看好氮化鎵市場的發(fā)展,尤其到2030年,氮化鎵的全球使用量將會大大超過碳化硅,并且在多個領(lǐng)域取代碳化硅的應用。


        在汽車領(lǐng)域,GaN主要應用于48V系統(tǒng)的功率電子、車載充電機和DC/DC轉(zhuǎn)換器,將來可以擴展到逆變器。




        氮化鎵器件用于新能源汽車的車載充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域時,可在節(jié)能70%的同時使充電效率達到98%,增加5%續(xù)航,目前已有豐田、寶馬等多家汽車廠商入局氮化鎵領(lǐng)域。


        而從總的應用趨勢來看,目前,80V-650V區(qū)域是GaN的天下,整個市場規(guī)模約為70億美元,手機、筆記本電源適配器、家電是主要應用領(lǐng)域;1200V-6500V的高壓部分更適合碳化硅(SiC),整體市場規(guī)模達到了93億美元,電動汽車、新能源、軌道交通、電網(wǎng)等是其核心市場;而在兩者之間則是GaN和SiC可以共存的市場,主要包括數(shù)據(jù)中心、電動車等,市場規(guī)模達到了61億美元。


        高達220億美元的第三代半導體市場 圖片來源:Navitas


        所以,這樣看來,GaN與SiC的競爭主要集中在650V及以上的領(lǐng)域。那為何說GaN有硬剛SiC的可能?一方面,GaN在大功率汽車應用上確實存在局限性,但在600V以下的器件是首選,隨著汽車制造商在信息娛樂、快速通信、激光雷達等汽車智能化設備的需求增加,對48V系統(tǒng)的興趣越來越大,GaN具有成本競爭力;另一方面,在制作成本上,碳化硅器件制造成本較高,與之相比,GaN可在較便宜的硅襯底上生長,同時氮化鎵在高頻應用上具備優(yōu)勢,可以在確保產(chǎn)品性能的同時實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化、小型化,這是整車廠最為關(guān)心的。


        氮化鋁:悄悄上位?


        氮化鋁材料在半導體領(lǐng)域一直備受關(guān)注。據(jù)日經(jīng)新聞網(wǎng)消息,日本名古屋大學的研究團隊研發(fā)出新型氮化鋁功率半導體,可大幅降低電力損耗。該研究團隊在氮化鋁基板上用不同于原來的做法制造了2種氮化鋁半導體,結(jié)果顯示電子流動順暢,分析性能發(fā)現(xiàn),其可將電力損失降至碳化硅及氮化鎵半導體的八分之一。


        氮化鋁材質(zhì)的pn結(jié)二極管


        氮化鋁作為第三代半導體材料的代表,在室溫下的禁帶寬度為6.2eV左右,在物理性能方面,AlN比SiC和GaN具有更小的損耗和更高的耐壓,因此可以形成高壓高效的電源電路。由于帶隙大,介電擊穿電場強度也高。如果能制造出功率器件,理論上功率損耗可以降低到SiC或GaN的一半以下。


        實際上,氮化鋁在半導體領(lǐng)域的潛力一直在被挖掘。


        2022年,日本公司NTT使用AlN成功實現(xiàn)晶體管操作,據(jù)說這是全球首個成功實現(xiàn)將其用作功率半導體所需的晶體管操作;2023年,日本京都大學的一個研究小組證實了氮化鋁p型導電控制的可能性,氮化鋁是超寬帶隙半導體的主要候選材料之一。


        近年來,至少有六種基于AlN的晶體管被證明,但這些晶體管都不是垂直器件,也沒有一種具有與市售GaN或SiC晶體管競爭的特性。


        在名古屋論文的合著者,寫道利用分布式極化摻雜技術(shù)來展示具有商業(yè)競爭力的功率晶體管是可能的。基于AlN的垂直異質(zhì)結(jié)雙極晶體管由兩個p-n結(jié)組成,具有良好的功率和面積效率,是我們的目標器件。


        氮化鋁優(yōu)勢確實比GaN和SiC大,但是AlN晶體生產(chǎn)成本高、尺寸小是導致AlN器件在商業(yè)化應用上受到極大的限制。


        可見,AlN想上位,還需要時間。


        除了以上提到的材料,石墨烯、金剛石等新型材料也取得了顯著的成績,在某些性能上甚至超過碳化硅。在未來,碳化硅也面臨著來自更經(jīng)濟、更易于加工的材料的競爭。


        參考來源:

        PSD功率系統(tǒng)設計:競爭|GaN 卷上了 SiC?

        中國科學院半導體研究所:GaN和SiC,是共存還是替代?

        半導體行業(yè)觀察:第三代半導體技術(shù),迎來勁敵

        電子新材料:2023年氮化鋁領(lǐng)域全球十個重要進展盤點

        寬禁帶半導體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟 :“后起之秀”氮化鎵未來幾大新的增長點


        (中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青)

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        作者:空青

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