本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自eettaiwan
碳化硅与氮化镓在本领与应用中有何别离？
宽带隙(Wide bandgap，WBG)半导体在电力电子和高频电路领域掀翻了一场风暴，取代了很多以前由硅基(Si-based)元件主导的应用，举例用于高压直流/直流(DC/DC)调度的绝缘闸双极电晶体(IGBT)等。
尤其是在电力电子领域，有些特定应用需要以高开关频率运作的功率密集惩办有瞎想，以便尽可能地诽谤开关损耗，这早已不是什么巧妙了。
从电动车(EV)中的牵引逆变器、车载充电器(OBC)和高压DC-DC调度器，到工业/买卖应用中的握住电供应系统(UPS)和太阳能调度器，宽带隙半导体为很多下一代电子产物开辟了盛大的商场。
碳化硅(SiC)基板已在电动车和一些工业应用中建树了方寸之地。关联词，近来氮化镓(GaN)捏续浮出台面，成为很多重复应用的有劲选拔。了解这两种功率元件的应用、基板材料在高功率电路中的别离、本领发展偏执各自的制造有计划成分，大略能为这两种捏续普及的化合物半导体异日带来更多启发。
GaN、SiC功率元件捏续成长轨迹
凭证Yole Group的统计，2029年各人GaN功率商场将成长越过22.5亿好意思元，2023年到2029年间的年复合成长率(CAGR)达到44%；SiC功率元件商场更预期将在2029年打破百亿好意思元。当年六个月以来，包括GaN和SiC的这一宽带隙功率半导体产业已发布越过16亿好意思元的投资，包括并购和其他资金插足。
从特斯拉(Tesla)驱动在其逆变器中汲取SiC以来，时于本日，另一个趋势正在重塑电动车商场，即以800V快速充电诽谤电动车的充电时辰。SiC由于具有考究的性能和握住发展的供应链，成为这一发展的关节推能源。限制2023年，包括比亚迪(BYD)的汉、当代(Hyundai)的Ioniq5等汲取SiC的大皆电动车正不时出货。
Yole的敷陈中指出，2023年，英飞凌科技(Infineon Technologies)、安森好意思(Onsemi)、罗姆(ROHM)、意法半导体(STMicroelectronics，ST)和Wolfspeed等主要的元件供应商营收再次创历史新高。
尽管2024年纯电动车(BEV)成长趋缓，预测SiC全体营收仍捏续成长，并于2029年达到近100亿好意思元的商场范畴。除了汽车以外，工业、能源和铁路应用也提供了额外的成长动能。产能培植、业务整合以及新的买卖阵势等推崇，预测将在异日数年内将SiC普及到另一个眉目。
另一方面，糟塌应用则是功率GaN商场成长的主要驱能源。近来的趋势包括充电器功率容量高达300W，以及家电电源和马达驱动器带来更高的驱逐和紧凑性。除了糟塌领域外，Yole预测GaN功率元件商场的另外两个成长催化剂是汽车和府上中心应用，到2029年带来越过20亿好意思元的商场范畴。
2023年，英飞凌以8.3亿好意思元收购GaN Systems是迄今为止该产业最大的来往，另一个要紧收购案是瑞萨电子(Renesas Electronics)以3.39亿好意思元收购Transphorm。现时，这一产业正在整合，预测还会有其他并购，并将改换以IDM业务阵势为主导的生态系统。
图1：SiC和GaN自2018～2019年驱动捏续快速成长，如今已成为功率半导体产业的关节领域。(来源：Yole Group)
宽带隙材料的上风
相较于传统的硅基板，宽带隙材料本质上能够在更高的开关频率和更高的电场下运作。当半导体受热时，由于热激勉载流子在高温下更为丰富而导通，其电阻通常随之下落。更宽带隙的半导体需要更高的温度(更多的能量)来激勉电子从价带(valence band)高出能隙到导带(conduction band)。这将径直带来更刚劲的功率处贤慧商和更高的元件驱逐。
从表1中不错看出，SiC和GaN的击穿电场、电子搬动率、满盈速率和热导率皆远高于Si——所有这些成分皆能提高开关频率和功率密度。可是，高开关频率会导致更多的损耗和更低的场效电晶体(FET)驱逐，因此最好化功率元件的品性因数(FoM)，即Rds(on) ×Q g，或最好化通说念电阻和闸极电荷以诽谤传导损耗和开关损耗至关紧迫。
表1：Si、SiC和GaN的特色。
一般来说，GaN FET的最高电压约为650V，应勤劳率约为10kW，而750V和1200V SiC FET也并不漠视，应勤劳率从1kW到数百万瓦不等(如图2)。SiC具有出色的导热性，因此不错用更小的封装收尾访佛的额定功率。关联词，GaN元件的开关速率更快(注：其电子搬动率昭彰更高)，ag百家乐在线这相应地又将升沉为更高的dv/dt，从而可能收尾更高的调度器驱逐。
图2：各式功率元件的功率与频率干系图。(来源：TI)
制造考量
自从特斯拉晓谕在其Model 3车型中使用全SiC功率模组后，这个电力电子领域的骄子——SiC即获取了浩大的顺心。2018年，特斯拉在其推出的Model 3中率先汲取ST的SiC元件。凭证System Plus Consulting的拆解敷陈显现，该功率模组中包含ST的SiC MOSFET (图3)。这显现SiC功率元件相配合适用于电动车电源瞎想。除了牵引逆变器，它还可用于车载充电器和DC/DC调度器。
自2010年科锐(Cree；后改名Wolfspeed)将SiC MOSFET买卖化以来，SiC的需求稳步飞腾，业界主要的参与厂商更愚弄《芯片法案》(CHIPS Act)提供的税收减免来扩伟业务，诽谤每片晶圆的资本。为了喜跃汽车领域等末端应用需求，ST、安森好意思、英飞凌、Wolfspeed和ROHM等起原厂商皆勤勉于于在不同处所建造规律，并晓谕异日几年的产能延伸筹画。
举例，Wolfspeed的MHV晶圆厂自2022年开业以来一直在捏续扩大产能，最近并在其新的分娩规律John Palmour制造中心投长途到50亿好意思元，用于开发200mm (约8吋)晶圆。
关联词，事情并非如斯粗浅：为了在SiC制造领域站稳脚跟，就必须领有挑升用于SiC的不菲开拓。SiC晶圆的滋长温度越过2700℃，滋长速率至少比Si慢200倍，这就需要大皆的能量。另一方面，GaN在很猛进度上不错使用与Si半导体制程调换的开拓，GaN外延晶圆还不错在各自的基板(频繁是Si、SiC或蓝相持)上滋长，温度为1000至1200℃，还不到SiC的一半。此外，SiC晶圆也比Si晶圆薄近50% (达500μm)，因此材料至极脆，容易裂开和阻滞——这亦然需要专用制程开拓的另一个原因。
凭证Wolfspeed施行长Gregg Lowe示意，2018年6吋SiC晶圆的资本约为3,000好意思元，而6年后的2024年，7吋晶圆的资本仍是降到约850好意思元。何况，跟着SiC功率元件的握住闇练，每个晶圆的资本还将连接下落。资本最好化的一个要紧飞跃是扩大晶圆尺寸，以及加多每个晶圆的元件数目。关于硅基GaN (GaN-on-Si)来说，这少许相对粗浅，直径较大的晶圆厂每周可分娩数千片8吋晶圆，并透过CMOS制程轨则收尾出色的产线良率(98%)。
关联词，访佛的范畴经济也可应用于SiC晶圆分娩，因为现时的公司皆在野向8吋晶圆迈进，而就在十年前，150mm (约6吋)晶圆的大范畴分娩还仅仅刚刚驱动。诚然SiC元件本身可能比Si和GaN元件不菲，但事实上，为了保捏调换性能，所需的功率元件要少得多。在系统层面上，这意味着减少了闸极驱动器、磁性元件和其他左近元件等，这些元件蓝本可能会用于硅基瞎想中。
GaN电压超越700V
由于具有出色的高频特色，GaN与砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)等其他化合半导体相似，已成为适用于单晶微波积体电路(MMIC)和搀和微波电路等高频电路的III-V族半导体。GaN尤其适用于放射讯号链中的高功率放大器。现时，很多GaN代工就业频繁使用GaN-on-SiC处理高频应用，不外，最近也有很多代工场将要点转向愚弄GaN-on-Si收尾射频(RF)和电源应用。
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