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碳化硅霸主地位,是否真的穩(wěn)固?

發(fā)布時(shí)間:2024-03-21作者來源:薩科微瀏覽:1891




碳化硅是一種優(yōu)異的半導(dǎo)體材料,具有高熱導(dǎo)率、高耐溫性、硬度高等特點(diǎn),因而在功率電子、光電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。受益于新能源汽車、電力電子、光伏等領(lǐng)域的快速發(fā)展,碳化硅產(chǎn)業(yè)迎來了巨大的市場(chǎng)機(jī)遇,產(chǎn)量和銷售額都呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。隨著下游應(yīng)用市場(chǎng)的強(qiáng)勁需求,碳化硅產(chǎn)業(yè)正處于高速成長(zhǎng)期。而碳化硅的地位真有我們想象中那么穩(wěn)固嗎?


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來源:中國電科

氮化鎵:與“碳化硅”正面剛?



有行業(yè)人士認(rèn)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(fèi)電子電源不斷向數(shù)據(jù)中心、光伏/儲(chǔ)能、新能源汽車等附加值領(lǐng)域加速滲透,未來這些市場(chǎng)有望成為GaN產(chǎn)品規(guī)模擴(kuò)張的主要?jiǎng)恿Α?/span>

2018年,氮化鎵快充進(jìn)入中國市場(chǎng)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(dòng)充電充電器潛伏很久的氮化鎵,在電動(dòng)車飛速發(fā)展的時(shí)代,迎來新機(jī)遇。

3月2日,英飛凌以8.3億美元的價(jià)格收購GaN功率半導(dǎo)體廠商 GaN Systems。這一舉動(dòng)的背后是英飛凌看好氮化鎵市場(chǎng)的發(fā)展,尤其到2030年,氮化鎵的全球使用量將會(huì)大大超過碳化硅,并且在多個(gè)領(lǐng)域取代碳化硅的應(yīng)用。

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

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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(shí),可在節(jié)能70%的同時(shí)使充電效率達(dá)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(yīng)用趨勢(shì)來看,目前,80V-650V區(qū)域是GaN的天下,整個(gè)市場(chǎng)規(guī)模約為70億美元,手機(jī)、筆記本電源適配器、家電是主要應(yīng)用領(lǐng)域;1200V-6500V的高壓部分更適合碳化硅(SiC),整體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了93億美元,電動(dòng)汽車、新能源、軌道交通、電網(wǎng)等是其核心市場(chǎng);而在兩者之間則是GaN和SiC可以共存的市場(chǎng),主要包括數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)車等,市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了61億美元。

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高達(dá)220億美元的第三代半導(dǎo)體市場(chǎng) 圖片來源:Navitas

所以,這樣看來,GaN與SiC的競(jìng)爭(zhēng)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(yīng)用上確實(shí)存在局限性,但在600V以下的器件是[敏感詞],隨著汽車制造商在信息娛樂、快速通信、激光雷達(dá)等汽車智能化設(shè)備的需求增加,對(duì)48V系統(tǒng)的興趣越來越大,GaN具有成本競(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng),同時(shí)氮化鎵在高頻應(yīng)用上具備優(yōu)勢(shì),可以在確保產(chǎn)品性能的同時(shí)實(shí)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(dǎo)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(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出新型氮化鋁功率半導(dǎo)體,可大幅降低電力損耗。該研究團(tuán)隊(duì)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(dǎo)體,結(jié)果顯示電子流動(dòng)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(dǎo)體的八分之一。

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氮化鋁材質(zhì)的pn結(jié)二極管

氮化鋁作為第三代半導(dǎo)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(chǎng)強(qiáng)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(shí)際上,氮化鋁在半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)晶體管操作,據(jù)說這是全球[敏感詞]成功實(shí)現(xiàn)將其用作功率半導(dǎo)體所需的晶體管操作;2023年,日本京都大學(xué)的一個(gè)研究小組證實(shí)了氮化鋁p型導(dǎo)電控制的可能性,氮化鋁是超寬帶隙半導(dǎo)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(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)力的功率晶體管是可能的?;贏lN的垂直異質(zhì)結(jié)雙極晶體管由兩個(gè)p-n結(jié)組成,具有良好的功率和面積效率,是我們的目標(biāo)器件。

氮化鋁優(yōu)勢(shì)確實(shí)比GaN和SiC大,但是AlN晶體生產(chǎn)成本高、尺寸小是導(dǎo)致AlN器件在商業(yè)化應(yīng)用上受到極大的限制。

可見,AlN想上位,還需要時(shí)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(jī),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(jì)、更易于加工的材料的競(jìng)爭(zhēng)。



參考來源:
PSD功率系統(tǒng)設(shè)計(jì):競(jìng)爭(zhēng)|GaN 卷上了 SiC?
中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所:GaN和SiC,是共存還是替代?
半導(dǎo)體行業(yè)觀察:第三代半導(dǎo)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(gè)重要進(jìn)展盤點(diǎn)
寬禁帶半導(dǎo)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(zhǎng)點(diǎn)

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