碳化矽和氮化鎵前景的研究

2020-11-28 騰訊網

寬禁帶半導體材料是第三類半導體材料，具有獨特的電、光、聲等特性，其製備的器件具有優異的性能，碳化矽和氮化鎵就是其中的優秀者。碳化矽也叫金剛砂，具有很好的半導體屬性，高頻、高壓和耐高溫等，氮化鎵材料具有寬直接帶隙、強原子鍵和高的熱導率，同時化學穩定性好，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件等方面應用前景廣闊。

近日，據研究機構數據顯示，據混合動力和電動汽車、電源和光伏逆變器的需求，到2021年，新興的碳化矽和氮化鎵功率半導體市場預計將突破10億美元。分析師表示，到2020年底，全球碳化矽和氮化鎵功率半導體的銷售收入將從2018年的5.71億美元增長到8.54億美元。預計未來十年的市場收入將以兩位數的速度增長，到2029年將超過50億美元。自2018年以來，幾乎所有應用程式的需求都在放緩，此外，設備平均價格在2019年有所下降。

碳化矽MOSFET大有可為

碳化矽MOSFET寄生體二極體具有極小的反向恢復時間trr和反向恢復電荷Qrr。如圖所示，同一額定電流900V的器件，碳化矽MOSFET寄生二極體反向電荷只有同等電壓規格矽基MOSFET的5%。對於橋式電路來說，這個指標非常關鍵，它可以減小死區時間以及體二極體的反向恢復帶來的損耗和噪音，便於提高開關工作頻率。

碳化矽MOSFET模塊在光伏、風電、電動汽車及軌道交通等中高功率電力系統應用上具有巨大的優勢，碳化矽器件的高壓高頻和高效率的優勢，可以突破現有電動汽車電機設計上因器件性能而受到的限制，這是目前國內外電動汽車電機領域研發的重點。分析師表示，碳化矽肖特基二極體已經投放市場十多年了，近年來出現了碳化矽金屬氧化物半導體場效應電晶體和結柵場效應電晶體。碳化矽電源模塊也越來越多，包括混合碳化矽模塊，包含帶Si絕緣柵雙極電晶體的碳化矽二極體和包含碳化矽 MOSFET的全碳化矽模塊。事實證明，碳化矽 MOSFET在製造商中非常受歡迎，已經有多家公司提供了它們。有幾個因素導致平均價格在2019年下降，包括推出定價與矽超結MOSFET競爭的650、700和900伏（V）SiC MOSFET，以及供應商之間的競爭加劇。

氮化鎵價格優勢明顯

價格下降最終將促使SiC MOSFET技術更快地採用。相對於碳化矽，氮化鎵是極穩定的化合物，又是堅硬的高熔點材料，熔點約為1700℃，氮化鎵具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大氣壓力下，氮化鎵晶體一般是六方纖鋅礦結構。它在一個元胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半，硬度高，又是一種良好的塗層保護材料。

GaN功率電晶體和GaN系統IC才剛剛出現在市場上。GaN是一種寬帶隙材料，具有與SiC相似的性能優勢，但具有更高的降低成本的潛力。這些價格和性能優勢是可能的因為GaN功率器件可以在比SiC便宜的矽或藍寶石襯底上生長，所以現在可以買到GaN電晶體，但是Power Integrations，Texas Instruments和Navitas Semiconductor等公司的GaN系統集成電路的銷售預計將以更快的速度增長。

到2020年底，SiC MOSFET預計將產生約3.2億美元的收入，與肖特基二極體的收入相當。從2021年起，SiC MOSFET將以稍快的速度增長，成為最暢銷的分立SiC功率器件。同時，儘管實現了良好的可靠性，價格和性能，但每個SiC JFET的收入預計都將比SiC MOSFET小得多。

「最終用戶非常喜歡常關型SiC MOSFET，因此SiC JFET似乎仍將是專業的利基產品。不過，儘管供應商很少，但SiC JFET的銷售預計仍將以驚人的速度增長。」分析師說道。

混合SiC功率模塊，結合了Si IGBT和SIC二極體，預計在2019年將產生約7,200萬美元的銷售額，而完整SiC功率模塊在2019年估計會產生約5,000萬美元。預計整個SiC功率模塊將實現到2029年，其收入將超過8.5億美元，因為它們將首選用於混合動力和電動汽車動力總成逆變器。相比之下，混合碳化矽功率模塊將主要用於光伏逆變器，不間斷電源系統和其他工業應用中，其增長速度要慢得多。

2019年來發生了什麼變化？

如今，SiC和GaN功率器件都有數萬億小時的器件現場經驗。供應商，甚至是新進入市場的供應商，都在通過獲得JEDEC和AEC-Q101認證來證明這一點。SiC和GaN器件似乎沒有任何意外的可靠性問題。實際上，它們通常看起來比矽更好。SiC MOSFET和SiC JFET的工作電壓較低，例如650V，800V和900V，從而使SiC可以在性能和價格上與Si超結MOSFET競爭。

內部帶有GaN電晶體和GaN系統IC的最終產品正在量產，尤其是USB C型電源適配器和充電器，可為手機和筆記本電腦快速充電。同樣，許多GaN器件由鑄造服務提供商製造，可以在標準矽晶圓上提供內部GaN外延晶體的生長，並且隨著產量的增加，可能會無限擴大產能。

儘管氮化鎵和碳化矽目前的產能與銷售仍是無法和碳材料相比，但是前景是被分析師和產業人士看好的，這需要一個長期的技術打磨，也需要時間驗證材料的穩定性（SiC即碳化矽，GAN即氮化鎵）。

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