淺談SiC 和 GaN 的未來發(fā)展路線

SiC 和 GaN 的未來發(fā)展路線是清晰可靠的，但達(dá)到量產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)還需要數(shù)年時(shí)間。隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G時(shí)代的到來，以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等為代表的化合物半導(dǎo)體正在快速崛起。

GaN晶體管

在射頻（RF）功率領(lǐng)域，GaN晶體管被發(fā)現(xiàn)有早期的商機(jī)。該材料的本質(zhì)使耗盡型場效應(yīng)晶體管（FET）得以發(fā)展。耗盡型（或D型）FET被稱為假態(tài)高電子遷移率晶體管（pHEMT），是天然“導(dǎo)通”的器件；由于沒有門極控制輸入，存在一個(gè)自然的導(dǎo)通通道。門極輸入信號控制通道的導(dǎo)通，并導(dǎo)通和關(guān)斷該器件。由于在開關(guān)應(yīng)用中，通?！瓣P(guān)斷”的增強(qiáng)型（或E型）器件是首選，這導(dǎo)致了E型GaN器件的發(fā)展。首先是兩個(gè)FET器件的級聯(lián)?，F(xiàn)在，標(biāo)準(zhǔn)的e型GaN器件已問世。它們可以在高達(dá)10兆赫茲頻率下進(jìn)行開關(guān)，功率達(dá)幾十千瓦。GaN器件被廣泛用于無線設(shè)備中，作為頻率高達(dá)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(dá)、衛(wèi)星發(fā)射器和通用射頻放大。然而，由于高壓（高達(dá)1000 V）、高溫和快速開關(guān)，它們也被納入各種開關(guān)電源應(yīng)用，如DC-DC轉(zhuǎn)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(dá)1 MHz的頻率下進(jìn)行開關(guān)，其電壓和電流水平遠(yuǎn)高于硅MOSFET。最大漏源電壓高達(dá)約1800 V，電流能力為100安培。此外，SiC器件的導(dǎo)通電阻比硅MOSFET低得多，因而在所有開關(guān)電源應(yīng)用（SMPS設(shè)計(jì)）中的能效更高。一個(gè)關(guān)鍵的缺點(diǎn)是它們需要比其他MOSFET更高的門極驅(qū)動(dòng)電壓，但隨著設(shè)計(jì)的改進(jìn)，這不再是缺點(diǎn)。SiC器件需要18至20伏的門極電壓驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)通具有低導(dǎo)通電阻的器件。標(biāo)準(zhǔn)的Si MOSFET只需要不到10伏的門極就能完全導(dǎo)通。此外，SiC器件需要一個(gè)-3至-5 V的門極驅(qū)動(dòng)來切換到關(guān)斷狀態(tài)。不過，專用門極驅(qū)動(dòng)IC已被開發(fā)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(yīng)用上，SiC 和GaN的優(yōu)勢也是互補(bǔ)的。GaN擁有更高的熱導(dǎo)率和更成熟的技術(shù)，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(yōu)點(diǎn)則使其擁有更快的研發(fā)速度。兩者的不同優(yōu)勢決定了應(yīng)用范圍上的差異。SiC的市場應(yīng)用偏向高頻小電力領(lǐng)域，集中在1000V以下；而SiC 適用于1200V 以上的高溫大電力領(lǐng)域，兩者的應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了新能源汽車、光伏、機(jī)車牽引、智能電網(wǎng)、節(jié)能家電、通信射頻等大多數(shù)具有廣闊發(fā)展前景的新興應(yīng)用市場。

與GaN 相比，SiC熱導(dǎo)率是GaN 的三倍以上，在高溫應(yīng)用領(lǐng)域更有優(yōu)勢；同時(shí)SiC單晶的制備技術(shù)相對更成熟，所以SiC 功率器件的種類遠(yuǎn)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(jìn)步，在GaN-on-Si外延片上制造的GaN器件具有相當(dāng)?shù)偷某杀?，比在SiC芯片上制造任何產(chǎn)品都更為容易。由于這些原因，GaN晶體管可能會(huì)成為2020年代后期逆變器中的首選，優(yōu)于較昂貴的SiC MOSFET。

GaN和SiC功率晶體管作為電源管理領(lǐng)域目前備受推崇的新型創(chuàng)新技術(shù)，但仍有挑戰(zhàn)需要克服，尤其是高成本和低可靠性。在應(yīng)對氣候變化和最近的能源危機(jī)等挑戰(zhàn)時(shí)，當(dāng)務(wù)之急是降低電子設(shè)備的功耗和發(fā)熱。云計(jì)算、元宇宙的大型數(shù)據(jù)中心以及新型智能手機(jī)等各種小型電子設(shè)備將繼續(xù)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(biāo)準(zhǔn)技術(shù)還需要一些時(shí)間。

GaN/SiC 應(yīng)該用于尖端技術(shù)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(dǎo)體廠商高管就當(dāng)前和未來的挑戰(zhàn)/圍繞 GaN/SiC 功率晶體管的機(jī)會(huì)展開了討論。他們表示：我們特別關(guān)注它的制造和發(fā)展趨勢。雖然這場討論著重強(qiáng)調(diào)了 GaN/SiC 功率晶體管的優(yōu)勢，但也明確表示硅 MOSFET 不會(huì)很快消失。盡管 GaN 晶體管的制造成本已經(jīng)達(dá)到與 MOSFET 相似或更低的水平，但要趕上量產(chǎn)還需要幾十年的時(shí)間。Navitas Semiconductor 企業(yè)營銷和 IR 副總裁 Stephen Oliver 表示：“第一次功率革命發(fā)生在雙極型晶體管變成 MOSFET 時(shí)，我們現(xiàn)在正處于第二次革命的節(jié)點(diǎn)。有了 GaN/SiC，硅即將消失，為了攻克集成化、高壓等前沿技術(shù)，我們應(yīng)該朝著GaN/SiC的專攻方向前進(jìn)。”很明顯，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(shí)候可以實(shí)現(xiàn)，會(huì)產(chǎn)生什么樣的成本？

Efficient Power Conversion （EPC） 首席執(zhí)行官 Alex Lidow 表示，“目前的一些應(yīng)用在未來 10 到 15 年或更長時(shí)間內(nèi)將繼續(xù)使用硅 MOSFET。MOSFET 將繼續(xù)增長。預(yù)計(jì) GaN 功率晶體管的低迷不僅在速率上，也在體積增長上，但價(jià)格會(huì)像雙極型晶體管一樣繼續(xù)上漲，這是長期周期的一個(gè)方面。因?yàn)樗?MOSFET 更便宜。”業(yè)界預(yù)計(jì) GaN/SiC 組合功率晶體管將在 2030 年達(dá)到 MOSFET 的市場價(jià)值。

Infineon Technologies 高級負(fù)責(zé)人 Gerald Deboy 表示：“目前，硅占整個(gè)市場的 95%。當(dāng)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(shù)開發(fā)，以便進(jìn)行尖端設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn) SiC 和 GaN 的高級差異化。而硅填補(bǔ)了這些空白，并且至少在未來十年內(nèi)所有技術(shù)都將共存。從SiC/GaN的增長來看，雖然GaN在SiC方面略落后，但GaN的增長速度非常快，這為我們提供了許多機(jī)會(huì)?！?/p>

到 2023 年，部分 GaN 價(jià)格將與 MOSFET 持平

Wolfspeed 功率產(chǎn)品高級總監(jiān) Guy Moxey 表示：“ 2021 年，硅 MOSFET 分立模塊的功率半導(dǎo)體市場規(guī)模大約為 280 億美元，而 SiC 約為 20 億美元，GaN 約為 10 億美元。規(guī)模不大，略低于美元，但到2030年，預(yù)計(jì)還需要幾個(gè)設(shè)計(jì)周期，SiC市場規(guī)模將達(dá)到200億美元左右，GaN市場規(guī)模將超過50-60億美元，有望達(dá)到各自的規(guī)模?！睋?jù)小組成員稱，到 2023 年，對于某些低壓應(yīng)用，GaN 的價(jià)格將與 MOSFET 持平?！霸趦r(jià)格方面，例如，在 65W USB PD（電力輸送）充電的情況下，GaN 和硅系統(tǒng)預(yù)計(jì)在 2023 年上半年具有可比的系統(tǒng)價(jià)格。同時(shí)，它們的價(jià)格要小三分之一，它更小更輕，為移動(dòng)計(jì)算行業(yè)提供了強(qiáng)大的價(jià)值?！?/p>

GaN 技術(shù)是低電壓應(yīng)用的理想選擇，但對于結(jié)合使用這兩種技術(shù)的汽車應(yīng)用，可靠性仍面臨挑戰(zhàn)。Power Integrations 市場營銷和應(yīng)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(xiàng)戰(zhàn)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(shù)十億美元來提高產(chǎn)能以滿足需求。

ROHM Semiconductor Europe 汽車事業(yè)部和電源系統(tǒng)總監(jiān) Aly Mashaly 表示：“我們早就知道這需要時(shí)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。”對于小組成員來說，SiC 和 GaN 的前進(jìn)道路是清晰的，而且技術(shù)是可靠的。但我們還需要數(shù)年時(shí)間才能提高產(chǎn)量、獲得更多設(shè)計(jì)勝利并達(dá)到電子行業(yè)需要具有競爭力的價(jià)格點(diǎn)。

編輯：黃飛