就去色妹妹碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)谁是宽禁带(WBG)材料的往日？

发布日期：2024-12-05 04:24 点击次数：60

到面前为止，半导体材料照旧由了三个发展阶段 —— 第一代半导体是硅(Si)，第二代半导体是砷化(GaAs)就去色妹妹，第三代半导体又称宽带隙半导体(WBG)则是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。

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诚然这个边界并莫得“后浪拍前浪，前浪死在沙滩上”的说法，以GaN和SiC为代表第三代半导体正处于高速发展的阶段，Si和GaAs品级一、二代半导体材料也仍在产业中大范围哄骗。但不可否定，第三代半导体如实具有更多的性能上风。

跟着5G、电动车期间驾临，科技居品关于高频、高速运算、高速充电的需求高潮，硅与砷化镓的温度、频率、功率已达极限，难以升迁电量和速率；一朝操作温度特地100度时，前两代居品更容易故障，因此无法哄骗在更严苛的环境；再加上各人启动醉心碳排放问题，因此高能效、愚顽耗的第三代半导体成为新期间下的新骄子。

第三代半导体在高频状况下仍不错看守优异的效力和雄厚度，同期领有开关速率快、尺寸小、散热飞速等性情，当芯单方面积大幅减少后，有助于简化附进电路瞎想，进而减少模组及冷却系统的体积。

SiC和GaN各具上风、发展边界不同

同为万众瞩主见第三代半导体，SiC和GaN不可幸免地会被东说念主拿来作念对比。

相似之处

两者相似的场地在于它们都属于宽禁带半导体的成员 —— 在固态物理学中，禁带宽度是指从半导体或绝缘体的价带尖端到传导带底端的能量差距。如果用最口语的形势贯通，代表着一个能量的差距，意即让一个半导体"从绝缘到导电所需的最愚顽量"。

第一、二代半导体的硅与砷化镓属于低带隙材料，数值分歧为1.12eV(电子伏特)和1.43eV，第三代(宽带隙)半导体的带隙，SiC和GaN分歧达到3.2eV、3.4eV。

宽禁带半导体里面电阻极端低，制成的元件与同类硅元件比较，成果可升迁70%。低电阻可让半导体运作时的产生的热量缩短，达到更高的功率与密度，宽禁带半导体关断时刻极短，概况在极端高的开关频率下运作。

不同之处

SiC和GaN诚然每每将它们同等看待，但本色上，他们之间有一些迫切的区别。这些各异导致它们有各自的 "最好搭档"，即材料最相宜的哄骗。

1. 性能对比

碳化硅和氮化镓半导体广阔也被称为化合物半导体，因为他们是由选自周期表中的多个元素构成的。下图比较了Si、SiC和GaN材料的性能，这些材料的属性对电子器件的基人性能特质产生重要影响。

硅、碳化硅，氮化镓三种材料要害性情对比

关于射频和开关电源斥地而言，赫然SiC和GaN两种材料的性能都优于单质硅的，他们的高临界场允许这些器件能在更高的电压和更低的走电流中操作。高电子迁徙率和电子敷裕速率允许更高的使命频率。可是SiC电子迁徙率高于Si，GaN的电子迁徙率又高于SiC，这意味着氮化镓应该最终成为极高频率的最好斥地材料。

另外，高导热整个意味着材料在更有用地传导热量方面占上风。SiC比GaN和Si具有更高的热导率，意味着SiC器件比GaN或Si从表面上不错在更高的功率密度下操作。当高功率是一个要害的理思斥地特质时，高导热整个都集宽带隙、高临界场的SiC半导体具有一定上风。GaN相对较差的导热性，使系统瞎想东说念主员处理氮化镓器件的热量照应面对一个挑战。

还值得明慧的是，这两种材料有不同的最好电压等级。额定击穿电压为100V驾驭的GaN器件将用于48V以下的中压电源疗养。这个电压范围涵盖云缠绵和电信基础枢纽哄骗。此外，电源和墙上插座将包含650V的GaN功率开关，这是相宜AC-DC的额定电压，输入电压范围宽达90–240VAC。GaN的高频率使电源的无源元件更小，从而使举座处置决议更紧凑。

比拟之下，SiC器件瞎想用于650V和更高电压。恰是在1200V和更高电压下，SiC成为各式哄骗的最平正置决议。像太阳能逆变器、电动车充电器和工业AC-DC等哄骗，从永恒来看都将迁徙到SiC。另一个永远哄骗是固态变压器，现时的铜和磁铁变压器将被半导体取代。

2. 哄骗对比

GaN和SiC在材料性能上各有优劣，因此在哄骗边界上各有侧重和互补。

SiC和GaN这两种材料的哄骗边界略有不同，面前GaN组件常用于电压900V以下之边界，举例充电器、基站、5G通讯联系等高频居品；SiC则是电压大于1200V，举例电动车、电动车充电基础枢纽、太阳能及离岸风电等绿色能源发电斥地。

现今电动车的电板能源系统主若是200V-450V，更高端的车款将朝向800V发展，这将是SiC的主力商场。不外，SiC晶圆制造难度高，关于长晶的起源晶种条目高，不易取得，加上长晶本事周折，因此面前仍无法顺利量产。

· GaN：面前主要用于射频器件、电力电子功率器件以及光电器件。GaN的贸易化哄骗始于LED照明和激光器，其更多是基于GaN的顺利带隙性情和光谱性情，联系产业照旧发展的极端锻练。射频器件和功率器件是阐扬GaN宽禁带半导体性情的主要哄骗边界。由于5G基站会用到多发多收天线阵列决议，GaN射频器件关于整个这个词天线系统的功耗和尺寸都有重大的翻新，因此5G通讯将是GaN射频器件商场的主要增长驱上路分。

· SiC：SiC能大大缩短功率疗养中的开关损耗，因此具有更好的能源疗养成果，更容易已毕模块的袖珍化，更耐高温，面前主要用于高温、高频、高效力的大功率元件，如智能电网、交通、新能源汽车、光伏、风电。其中，新能源汽车是SiC功率器件商场的主要增长驱上路分，主要的哄骗器件有功率截止单元(PCU)、逆变器，DC-DC疗养器、车载充电器等。

这两种材料不错制造好多原理的斥地。咱们面前看到氮化镓被用于低功率/电压，高频率的哄骗中，而碳化硅被用于高功率，高电压开关电源的哄骗中。由于SiC已发展十多年了，GaN功率元件是个后进者，因此仅管GaN元件商场直起急追，但相较于前者，其商场仍远远过期。

不外面前仅仅第三代半导体产业发展的前期，跟着比年来各人关于都市基础训导、新能源、节能环保等方面的战术复古，对SiC/GaN等高性能功率元件的需求例必会增大。因此确信在往日，不管是SiC如故GaN一建都能饰演比面前更迫切的脚色并融入各自的贸易商场中。

3. 商场方面

近日，Yole Développement(Yole)估量了碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)这些宽带隙材料的总体哄骗情况。现时，尽管硅在商场上仍占主导地位，但碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)器件在某些哄骗中照旧是更有用的处置决议。

除意法半导体以外，碳化硅(SiC)边界的玩家还有英飞凌、罗姆和安森好意思，哄骗边界主若是工业和汽车。

碳化硅(SiC)哄骗商场趋势

在功率GaN行业中，多家OEM与台积电(TSMC)，X-Fab或Episil Technologies等竖立晶圆坐褥勾搭。

氮化镓(GaN)主要销售给耗尽电子商场，举例用于快速充电器，况兼面前照旧得到世俗哄骗。

快速充电器对功率密度和成果条目较高，氮化镓(GaN)则不错减弱体积并缩短单元功率的价钱。咱们照旧看到快速充电器的世俗选择，主要来自中国OEM的供应商，如Navitas和Power Integrations。

氮化镓(GaN)哄骗商场趋势

GaN可集成外围驱动，减小举座体积：传统的硅器件是垂直结构，不可集成外围驱动；GaN功率器件是平面架构，不错集成外围驱动和截止电路，将IC体积作念小，权臣缩短本钱。

GaN功率半导体商场高速增长。左证Yole，各人 GaN功率半导体商场范围在2018年仅为873万好意思元，保守预测到2024年将特地3.5亿好意思元，18-24年的年均复合增长率达到85%。若按乐不雅的情况估量，苹果、三星、华为等手机厂商不异选择GaN电源适配器，展望2024年各人GaN功率半导体商场范围将特地7.5亿好意思元。推测如果札记本电脑、平板电脑、轻混电动汽车等都选择GaN快充，商场空间有望更大。

氮化镓(GaN)商场趋势

SiC/GaN器件价钱合手续下滑。总体来看，面前SiC/GaN器件本钱如故远高于Si居品，但跟着本事的逾越，居品良率的升迁，范围效应的增强，SiC/GaN器件价钱合手续下滑。受益于SiC/GaN器件本事锻练&本钱着落，SiC/GaN器件有望加快渗入。获利于SiC/GaN功率居品质能的升迁，其有望在新能源汽车、快充等商场中取得世俗哄骗。

往日几年中，新能源汽车及充电桩将成为SiC功率半导体商场快速增长的主要驱能源量。新能源汽车哄骗中，SiC功率半导体比拟于Si基器件可已毕轻量化和高成果。新能源汽车系统中，哄骗功率半导体的组件主要包括：DC/AC逆变器、DC/DC疗养器、电机驱动器和车载充电器(OBC)。

面前，电动汽车中的功率半导体器件主要为Si基器件，但新兴SiC功率器件在性能上更具上风。在DC/AC逆变器的瞎想中，SiC模组代替Si模组概况权臣缩短逆变器的分量和尺寸，同期作念到节能，在相近的功率等级下，SiC模组逆变器分量可缩短6kg，尺寸可缩短43%，同期开关损耗降75%。

SiC功率器件轻量化、高成果、耐高温的性情有助于有用缩短新能源汽车系统本钱。以2018年特斯拉Model 3中初次搭载的SiC功率器件为例，其轻量化的性情量入为主了电动汽车里面空间，高成果的性情有用缩短了电动汽车电板本钱，耐高温(200 度也能正常使命)的性情缩短了对冷却系统的条目，从简了冷却本钱。诚然哄骗SiC功率器件增多了300好意思元驾驭的前期本钱，但所以上方面的改不雅可从简近2000好意思元的系统本钱，总体来看，选择SiC功率器件带来了1700好意思元以上的正收益。

受益于新能源汽车中功率半导体价值大幅升迁和新能源汽车销售放量增长，车用SiC功率器件有望充分受益。左证英飞凌的统计，传统燃油车向新能源汽车升级大幅增多了半导体器件的价值，约从平均355好意思元增多至695好意思元，而其中半导体功率器件增幅更为权臣，约从原17好意思元增长15倍至265好意思元，为功率半导体尤其是SiC功率半导体带来了更大的机遇。

左证英飞凌的预测，SiC器件在新能源车中的渗入率有望不休升迁，将从2020年的3%升迁至2025年的20%。左证海外能源署(IEA)的预测就去色妹妹，在可合手续发展情境下，各人电动汽车保有量将从2019的720万辆以年均特地36%的增速增长至2030年的2.45亿辆。在上述两种身分的作用下，展望车用SiC功率器件将看守新生的需求。