淺談SiC 和 GaN 的未來發展路線

SiC 和 GaN 的未來發展路線是清晰可靠的，但達到量產標準還需要數年時間。隨著物聯網、5G時代的到來，以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等為代表的化合物半導體正在快速崛起。

GaN晶體管

在射頻（RF）功率領域，GaN晶體管被發現有早期的商機。該材料的本質使耗盡型場效應晶體管（FET）得以發展。耗盡型（或D型）FET被稱為假態高電子遷移率晶體管（pHEMT），是天然“導通”的器件；由于沒有門極控制輸入，存在一個自然的導通通道。門極輸入信號控制通道的導通，并導通和關斷該器件。由于在開關應用中，通?！瓣P斷”的增強型（或E型）器件是首選，這導致了E型GaN器件的發展。首先是兩個FET器件的級聯?，F在，標準的e型GaN器件已問世。它們可以在高達10兆赫茲頻率下進行開關，功率達幾十千瓦。GaN器件被廣泛用于無線設備中，作為頻率高達100 GHz的功率放大器。一些主要的用例是蜂窩基站功率放大器、軍用雷達、衛星發射器和通用射頻放大。然而，由于高壓（高達1000 V）、高溫和快速開關，它們也被納入各種開關電源應用，如DC-DC轉換器、逆變器和電池充電器。

SiC晶體管

SiC晶體管是天然的E型MOSFET。這些器件可在高達1 MHz的頻率下進行開關，其電壓和電流水平遠高于硅MOSFET。最大漏源電壓高達約1800 V，電流能力為100安培。此外，SiC器件的導通電阻比硅MOSFET低得多，因而在所有開關電源應用（SMPS設計）中的能效更高。一個關鍵的缺點是它們需要比其他MOSFET更高的門極驅動電壓，但隨著設計的改進，這不再是缺點。SiC器件需要18至20伏的門極電壓驅動，導通具有低導通電阻的器件。標準的Si MOSFET只需要不到10伏的門極就能完全導通。此外，SiC器件需要一個-3至-5 V的門極驅動來切換到關斷狀態。不過，專用門極驅動IC已被開發出來滿足這一需要。

SiC MOSFET通常比其他替代品更貴，但其高壓、高電流的能力使它們很適合用于汽車電源電路。在應用上，SiC 和GaN的優勢也是互補的。GaN擁有更高的熱導率和更成熟的技術，而GaN 直接躍遷、高電子遷移率和飽和電子速率、成本更低的優點則使其擁有更快的研發速度。兩者的不同優勢決定了應用范圍上的差異。SiC的市場應用偏向高頻小電力領域，集中在1000V以下；而SiC 適用于1200V 以上的高溫大電力領域，兩者的應用領域覆蓋了新能源汽車、光伏、機車牽引、智能電網、節能家電、通信射頻等大多數具有廣闊發展前景的新興應用市場。

與GaN 相比，SiC熱導率是GaN 的三倍以上，在高溫應用領域更有優勢；同時SiC單晶的制備技術相對更成熟，所以SiC 功率器件的種類遠多于GaN。但是GaN并不完全處于劣勢，甚至被稱為SiC器件獲得成長的最大抑制因素。隨著GaN制造工藝在不斷進步，在GaN-on-Si外延片上制造的GaN器件具有相當低的成本，比在SiC芯片上制造任何產品都更為容易。由于這些原因，GaN晶體管可能會成為2020年代后期逆變器中的首選，優于較昂貴的SiC MOSFET。

GaN和SiC功率晶體管作為電源管理領域目前備受推崇的新型創新技術，但仍有挑戰需要克服，尤其是高成本和低可靠性。在應對氣候變化和最近的能源危機等挑戰時，當務之急是降低電子設備的功耗和發熱。云計算、元宇宙的大型數據中心以及新型智能手機等各種小型電子設備將繼續投資。SiC 和 GaN 都可以提供更小的尺寸和更低的熱/功耗，但它們成為標準技術還需要一些時間。

GaN/SiC 應該用于尖端技術研究

在德國慕尼黑舉辦的歐洲最大的電子展electronica 2022上（2022年11月15-18日），美國EE Times的Maurizio Di Paolo Emilio先生主持了圓桌討論，功率半導體廠商高管就當前和未來的挑戰/圍繞 GaN/SiC 功率晶體管的機會展開了討論。他們表示：我們特別關注它的制造和發展趨勢。雖然這場討論著重強調了 GaN/SiC 功率晶體管的優勢，但也明確表示硅 MOSFET 不會很快消失。盡管 GaN 晶體管的制造成本已經達到與 MOSFET 相似或更低的水平，但要趕上量產還需要幾十年的時間。Navitas Semiconductor 企業營銷和 IR 副總裁 Stephen Oliver 表示：“第一次功率革命發生在雙極型晶體管變成 MOSFET 時，我們現在正處于第二次革命的節點。有了 GaN/SiC，硅即將消失，為了攻克集成化、高壓等前沿技術，我們應該朝著GaN/SiC的專攻方向前進?！焙苊黠@，這兩種化合物最終將取代硅 MOSFET 和雙極型晶體管。問題是什么時候可以實現，會產生什么樣的成本？

Efficient Power Conversion （EPC） 首席執行官 Alex Lidow 表示，“目前的一些應用在未來 10 到 15 年或更長時間內將繼續使用硅 MOSFET。MOSFET 將繼續增長。預計 GaN 功率晶體管的低迷不僅在速率上，也在體積增長上，但價格會像雙極型晶體管一樣繼續上漲，這是長期周期的一個方面。因為它比 MOSFET 更便宜?！睒I界預計 GaN/SiC 組合功率晶體管將在 2030 年達到 MOSFET 的市場價值。

Infineon Technologies 高級負責人 Gerald Deboy 表示：“目前，硅占整個市場的 95%。當然 SiC/GaN 正在以非?？斓乃俣仍鲩L。我們需要確保所有類型的技術開發，以便進行尖端設計，實現 SiC 和 GaN 的高級差異化。而硅填補了這些空白，并且至少在未來十年內所有技術都將共存。從SiC/GaN的增長來看，雖然GaN在SiC方面略落后，但GaN的增長速度非?？?，這為我們提供了許多機會?！?/p>

到 2023 年，部分 GaN 價格將與 MOSFET 持平

Wolfspeed 功率產品高級總監 Guy Moxey 表示：“ 2021 年，硅 MOSFET 分立模塊的功率半導體市場規模大約為 280 億美元，而 SiC 約為 20 億美元，GaN 約為 10 億美元。規模不大，略低于美元，但到2030年，預計還需要幾個設計周期，SiC市場規模將達到200億美元左右，GaN市場規模將超過50-60億美元，有望達到各自的規模?！睋〗M成員稱，到 2023 年，對于某些低壓應用，GaN 的價格將與 MOSFET 持平?！霸趦r格方面，例如，在 65W USB PD（電力輸送）充電的情況下，GaN 和硅系統預計在 2023 年上半年具有可比的系統價格。同時，它們的價格要小三分之一，它更小更輕，為移動計算行業提供了強大的價值?！?/p>

GaN 技術是低電壓應用的理想選擇，但對于結合使用這兩種技術的汽車應用，可靠性仍面臨挑戰。Power Integrations 市場營銷和應用工程副總裁 Doug Bailey 說：“GaN 面臨的主要問題是它的速度超快，需要放慢速度，需要限制寄生電感。我們正在采取一項戰略來集成 GaN 和 SiC?！盨iC 可以在更高的電壓下工作，但比硅更難制造。因此，制造商正在投資數十億美元來提高產能以滿足需求。

ROHM Semiconductor Europe 汽車事業部和電源系統總監 Aly Mashaly 表示：“我們早就知道這需要時間，2016 年我們宣布了有史以來最大的投資。硅芯片，以及我們自己的模塊制造工廠?！睂τ谛〗M成員來說，SiC 和 GaN 的前進道路是清晰的，而且技術是可靠的。但我們還需要數年時間才能提高產量、獲得更多設計勝利并達到電子行業需要具有競爭力的價格點。

編輯：黃飛