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多家供应商正在推出下一波基于氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的功率半导体浪潮，从而为在市场上与传统的硅基器件进行对决奠定了基础。

功率半导体是专门的晶体管，结合了GaN，SiC和硅等竞争技术。功率半导体在汽车，电源，太阳能和火车等高压应用中用作开关。这些设备允许电流在“开”状态下流动，并在“关”状态下停止电流。它们提高了效率，并将系统中的能量损失降至最低。

多年来，功率半导体市场一直以硅器件为主，即功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管（IGBT）。两者都是成熟且便宜的，但它们在几个方面也达到了理论极限。

这就是GaN和SiC的优势。在市场上，多年来，GaN和SiC器件在各个领域都与IGBT和MOSFET竞争。GaN和SiC都是宽带隙技术，这意味着它们比硅基器件更快，更高效。

图：如何对电源开关进行分类。来源/英飞凌

但是，GaN和SiC器件的采用率相对较低，并且不会在短期内取代其硅竞争对手。根据市场分析机构Yole的研究数据，如今，基于硅的设备在整个功率半导体市场中的市场份额超过90％。通常，GaN和SiC器件是具有挑战性的一项技术，且成本高昂。

不过，这种情况开始有所改变。新的GaN和SiC器件在市场上的影响开始显现。如，与硅基器件的个位数相比，SiC的增长速度是两位数。Yole分析师Hong Lin表示：“预计主要在汽车市场的推动下，碳化硅功率器件市场将快速增长。” “市场潜力巨大，并且吸引了很多参与者。我们预计未来几年竞争将非常激烈。”

因为，功率半导体市场正迎来一波技术变革热潮。其中：

Cree，ROHM和其他公司正在增加其资本支出并建造新的SiC晶圆厂。供应商正在为电池电动汽车市场的巨大需求做准备。

汽车原始设备制造商正在确保与SiC器件制造商的供应协议，以满足需求。

GaN功率半导体供应商高效功率转换（EPC）正在对功率MOSFET进行所谓的“正面攻击”。GaN正在各种系统中取得进展。

设备供应商看到复合半导体晶圆厂的需求在增加。

根据Yole的数据，功率器件市场预计将从2018年的175亿美元增长到2024年的超过210亿美元。根据Yole的说法，其中SiC器件市场将从2018年的4.2亿美元增长到2019年的5.64亿美元。据该公司称，2018年GaN器件市场不到1000万美元。

Si市场如何？

根据市场权威机构的数据，全球每小时总发电量为120亿千瓦。据称，全球80％以上的电力是通过电力电子系统传输的。

电力电子技术利用各种设备来控制和转换系统中的电力，例如汽车，电机驱动器，电源，太阳能和风力涡轮机。

通常，在系统的转换过程中会有损耗。例如，根据NC State的数据，一年内出售的台式PC所浪费的电力相当于17个500MW的发电厂。

因此，该行业需要更高效的器件，例如功率半导体和其他芯片。

尽管如此，仍有几种功率半导体可供选择。在硅片方面，选择包括功率MOSFET，超结功率MOSFET和IGBT。

功率MOSFET被认为是最便宜和最受欢迎的器件，用于适配器，电源和其他产品。它们用于10V至500V的低压应用。

超结功率MOSFET是增强型MOSFET，用于500至900V系统中。同时，领先的中端功率半导体器件是IGBT，其用于1200V至6.6KV的应用。

MOSFET在较低电压段中与GaN器件竞争，而IGBT和SiC在高端电压下并驾齐驱。所有设备在600至900V特范围内相互竞争。

无论如何，IGBT和功率MOSFET在可预见的将来仍将是主流技术。英飞凌高级负责人Gerald Deboy表示：“硅技术是一种非常成熟的技术，在很多方面具备优势，包括从供应链和内部生产流程到客户现有的设计和流程。“这就是为什么许多年以来基于硅的功率开关将继续作为首选技术的原因。”

但是，基于硅的器件具有一些局限性，例如高传导损耗和低开关频率。传导损耗归因于设备中的电阻。

这就是OEM厂商对GaN和SiC两种宽带隙技术感兴趣的原因。硅的带隙为1.1 eV。相比之下，SiC的带隙为3.3 eV，而GaN为3.4 eV。

联华电子公司市场营销副总裁Steven Liu说：“ GaN和SiC是宽带隙材料，这意味着晶体中原子的键能更高。” “与基于硅的同类产品相比，SiC和GaN具有更高的效率和更小的形状因数特性，因此是功率半导体市场很有价值的组件。在具有相同的相对电压和电流处理能力的情况下，这些器件的尺寸可以小得多。”

GaN和SiC功率半导体产品已经开始出货，但它们仍然很昂贵。制造成本是阻碍市场增长的主要障碍，因为今天两者仍主要使用6英寸及以下的晶圆进行生产。一旦成本可以提高到一定的门槛，市场规模就会爆发。

根据英飞凌的说法，所有功率半导体类型仍然存在。鉴于英飞凌销售IGBT，MOSFET，GaN和SiC，因此具有独特的视角。

英飞凌Deboy曾说：“选择宽带隙器件而不是传统硅的标准取决于平衡特定应用的系统成本和性能要求。” “在许多应用中，基于宽带隙材料的系统的成本和性能目标都达到了临界点。根据特定的应用，即使GaN或SiC器件本身比硅替代品更昂贵，GaN或SiC器件在系统级的成本位置仍然更好。”

什么是SiC？

碳化硅市场正在升温。SiC器件的供应商包括Cree旗下Wolfspeed，英飞凌，三菱，安森美半导体，意法半导体，ROHM和Toshiba。

SiC是基于硅和碳的化合物半导体材料。它的击穿场强是硅的10倍，导热系数是硅的3倍。

有两种SiC器件类型：SiC功率MOSFET和二极管。SiC功率MOSFET是功率开关晶体管。二极管在一个方向通过电流，而在相反方向阻止电流。

SiC器件目前在150mm的晶圆厂中生产，200mm尚在研发中。在生产流程中，开发了SiC衬底。在衬底上生长外延层。然后将其处理到设备中。

制作基材是最大的挑战。Applied Materials战略营销总监Llewellyn Vaughan-Edmunds 说：“这种较宽的带隙使材料具有优良的特性，例如更快的开关速度和更高的功率密度。” “主要挑战是基材缺陷。基面位错和螺钉位错会产生“致命缺陷”，SiC器件必须减少这种缺陷，才能获得商业成功所需的高产量。”

为了解决成本问题，一些供应商正在开发200mm SiC晶圆厂。这将增加每个晶片的管芯，从而降低成本。

同时，基于SiC的器件用于600V至10KV的应用中。在高端市场，一些公司出售3.3至10KV的设备，用于电网，火车和风力发电。

SiC的还可以应用在600至1200V特范围内。为此，电动汽车是最大的市场，其次是电源和太阳能。

多年来，电动汽车原始设备制造商在车辆的许多零件中都使用了IGBT和MOSFET。例如，特斯拉不再使用IGBT，而是开始将意法半导体的SiC功率器件用于其Model 3汽车中的牵引逆变器。牵引逆变器向电动机提供牵引力以推动车辆。SiC器件还用于电动汽车的DC-DC转换器和车载充电器。其他OEM也正在评估或使用SiC。

不断发展的GaN

同时，二元III-V材料GaN的击穿场强是硅的两倍，其电子迁移率是其两倍。

GaN用于LED，电力电子设备和RF。GaN的RF版本用于5G，雷达和其他应用。功率开关应用中使用了不同的GaN功率器件。EPC，GaN Systems，Navitas，Panasonic，Transphorm和其他公司销售GaN功率器件。

这些设备在150mm晶圆上制造。许多供应商的设备都是由Episil和TSMC代工生产的。

在EPC的GaN流程中，氮化铝（AlN）薄层沉积在硅基板上。在AlN层上生长GaN层。在GaN层上形成源极，栅极和漏极。

Lam公司曾表示，“从技术角度看，GaN的成熟程度仍不及SiC。” “如果人们考虑使用硅上GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）技术，则由于硅上GaN MOCVD的生长质量，良率仍然令人担忧。设备性能和可靠性仍然存在挑战。”

同时，在器件方面，GaN半导体针对不同的市场。EPC和其他产品在15至200V的较低电压段中竞争。在这些领域中，GaN与功率MOSFET竞争。

其他公司则在600、650和900V市场中竞争。这些器件可与IGBT，MOSFET和SiC竞争。

GaN在600V，650V和900V市场，特别是在消费类适配器市场和其他系统中，正获得越来越多的关注。

对于600V特和650V特，GaN适用于适配器，汽车和电源。GaN的900V特电压适用于汽车，电池充电器，电源和太阳能。像SiC一样，GaN试图在电动汽车中获得更大的吸引力，特别是对于车载充电器和DC-DC转换器。

结论

显然，GaN和SiC正在蓬勃发展。这些器件为工程师设计提供了更多选择。但是它们还不会取代硅（Si）。因为在一些日常成熟的产品中很难替换熟悉的技术。