碳化硅霸主地位，是否真的穩(wěn)固？

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2024-03-21 03:59:25 961

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(lái)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？

來(lái)源：中國(guó)電科

氮化鎵：與“碳化硅”正面剛？

有行業(yè)人士認(rèn)為，未來(lái)，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*‘雙碳’政策的支持下，近年來(lái)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(lái)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(guó)市場(chǎng)之后，充電器的發(fā)展猶如坐上飛天火箭，功率越來(lái)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(lái)新機(jī)遇。

3月2日，英飛凌以8.3億美元的價(jià)格收購(gòu)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(guò)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(lái)可以擴(kuò)展到逆變器。

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(lái)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。

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

所以，這樣看來(lái)，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(shuō)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*，隨著汽車制造商在信息娛樂(lè)、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(lái)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*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(lái)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。

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(shuō)這是全球*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(lái)，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(lái)展示具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的功率晶體管是可能的。基于AlN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*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(guò)碳化硅。在未來(lái)，碳化硅也面臨著來(lái)自更經(jīng)濟(jì)、更易于加工的材料的競(jìng)爭(zhēng)。

參考來(lái)源：
PSD功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)：競(jìng)爭(zhēng)|GaN 卷上了 SiC?
中國(guó)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(lái)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(lái)幾大新的增長(zhǎng)點(diǎn)

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