本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自eettaiwan

碳化硅與氮化鎵在技術(shù)與應(yīng)用中有何區(qū)別？

寬帶隙(Wide bandgap，WBG)半導(dǎo)體在電力電子和高頻電路領(lǐng)域掀起了一場風(fēng)暴，取代了許多以前由硅基(Si-based)元件主導(dǎo)的應(yīng)用，例如用于高壓直流/直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換的絕緣閘雙極電晶體(IGBT)等。

尤其是在電力電子領(lǐng)域，有些特定應(yīng)用需要以高開關(guān)頻率運(yùn)作的功率密集解決方案，以便盡可能地降低開關(guān)損耗，這早已不是什么秘密了。

從電動(dòng)車(EV)中的牽引逆變器、車載充電器(OBC)和高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，到工業(yè)/商業(yè)應(yīng)用中的不斷電供應(yīng)系統(tǒng)(UPS)和太陽能轉(zhuǎn)換器，寬帶隙半導(dǎo)體為許多下一代電子產(chǎn)品開辟了廣闊的市場。

碳化硅(SiC)基板已在電動(dòng)車和一些工業(yè)應(yīng)用中確立了一席之地。然而，近來氮化鎵(GaN)持續(xù)浮出臺(tái)面，成為許多重疊應(yīng)用的有力選擇。了解這兩種功率元件的應(yīng)用、基板材料在高功率電路中的區(qū)別、技術(shù)發(fā)展及其各自的制造考慮因素，或許能為這兩種持續(xù)普及的化合物半導(dǎo)體未來帶來更多啟發(fā)。

GaN、SiC功率元件持續(xù)成長軌跡

根據(jù)Yole Group的統(tǒng)計(jì)，2029年全球GaN功率市場將成長超過22.5億美元，2023年到2029年間的年復(fù)合成長率(CAGR)達(dá)到44%；SiC功率元件市場更預(yù)期將在2029年突破百億美元。過去六個(gè)月以來，包括GaN和SiC的這一寬帶隙功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已發(fā)布超過16億美元的投資，包括并購和其他資金投入。

從特斯拉(Tesla)開始在其逆變器中采用SiC以來，時(shí)至今日，另一個(gè)趨勢正在重塑電動(dòng)車市場，即以800V快速充電縮短電動(dòng)車的充電時(shí)間。SiC由于具有良好的性能和不斷發(fā)展的供應(yīng)鏈，成為這一發(fā)展的關(guān)鍵推動(dòng)力。截至2023年，包括比亞迪(BYD)的漢、現(xiàn)代(Hyundai)的Ioniq5等采用SiC的大量電動(dòng)車正陸續(xù)出貨。

Yole的報(bào)告中指出，2023年，英飛凌科技(Infineon Technologies)、安森美(Onsemi)、羅姆(ROHM)、意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics，ST)和Wolfspeed等主要的元件供應(yīng)商營收再次創(chuàng)歷史新高。

盡管2024年純電動(dòng)車(BEV)成長趨緩，預(yù)計(jì)SiC整體營收仍持續(xù)成長，并于2029年達(dá)到近100億美元的市場規(guī)模。除了汽車之外，工業(yè)、能源和鐵路應(yīng)用也提供了額外的成長動(dòng)能。產(chǎn)能建設(shè)、業(yè)務(wù)整合以及新的商業(yè)模式等進(jìn)展，預(yù)計(jì)將在未來數(shù)年內(nèi)將SiC提升到另一個(gè)層次。

另一方面，消費(fèi)應(yīng)用則是功率GaN市場成長的主要驅(qū)動(dòng)力。近來的趨勢包括充電器功率容量高達(dá)300W，以及家電電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器帶來更高的效率和緊湊性。除了消費(fèi)領(lǐng)域外，Yole預(yù)計(jì)GaN功率元件市場的另外兩個(gè)成長催化劑是汽車和資料中心應(yīng)用，到2029年帶來超過20億美元的市場規(guī)模。

2023年，英飛凌以8.3億美元收購GaN Systems是迄今為止該產(chǎn)業(yè)最大的交易，另一個(gè)重大收購案是瑞薩電子(Renesas Electronics)以3.39億美元收購Transphorm。目前，這一產(chǎn)業(yè)正在整合，預(yù)計(jì)還會(huì)有其他并購，并將改變以IDM業(yè)務(wù)模式為主導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)。

圖1：SiC和GaN自2018～2019年開始持續(xù)快速成長，如今已成為功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵領(lǐng)域。(來源：Yole Group)

寬帶隙材料的優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)的硅基板，寬帶隙材料本質(zhì)上能夠在更高的開關(guān)頻率和更高的電場下運(yùn)作。當(dāng)半導(dǎo)體受熱時(shí)，由于熱激發(fā)載流子在高溫下更為豐富而導(dǎo)通，其電阻往往隨之下降。更寬帶隙的半導(dǎo)體需要更高的溫度(更多的能量)來激發(fā)電子從價(jià)帶(valence band)跨越能隙到導(dǎo)帶(conduction band)。這將直接帶來更強(qiáng)大的功率處理能力和更高的元件效率。

從表1中可以看出，SiC和GaN的擊穿電場、電子遷移率、飽和速度和熱導(dǎo)率都遠(yuǎn)高于Si——所有這些因素都能提高開關(guān)頻率和功率密度。但是，高開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致更多的損耗和更低的場效電晶體(FET)效率，因此最佳化功率元件的品質(zhì)因數(shù)(FoM)，即Rds(on) ×Q g，或最佳化通道電阻和閘極電荷以降低傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗至關(guān)重要。

表1：Si、SiC和GaN的特性。

一般來說，GaN FET的最高電壓約為650V，應(yīng)用功率約為10kW，而750V和1200V SiC FET也并不罕見，應(yīng)用功率從1kW到數(shù)百萬瓦不等(如圖2)。SiC具有出色的導(dǎo)熱性，因此可以用更小的封裝實(shí)現(xiàn)類似的額定功率。然而，GaN元件的開關(guān)速度更快(注：其電子遷移率明顯更高)，這相應(yīng)地又將轉(zhuǎn)化為更高的dv/dt，從而可能實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換器效率。

圖2：各種功率元件的功率與頻率關(guān)系圖。(來源：TI)

制造考量

自從特斯拉宣布在其Model 3車型中使用全SiC功率模組后，這個(gè)電力電子領(lǐng)域的寵兒——SiC即獲得了巨大的關(guān)注。2018年，特斯拉在其推出的Model 3中率先采用ST的SiC元件。根據(jù)System Plus Consulting的拆解報(bào)告顯示，該功率模組中包含ST的SiC MOSFET (圖3)。這顯示SiC功率元件非常適合用于電動(dòng)車電源設(shè)計(jì)。除了牽引逆變器，它還可用于車載充電器和DC/DC轉(zhuǎn)換器。

自2010年科銳(Cree；后更名Wolfspeed)將SiC MOSFET商業(yè)化以來，SiC的需求穩(wěn)步上升，業(yè)界主要的參與廠商更利用《芯片法案》(CHIPS Act)提供的稅收減免來擴(kuò)大業(yè)務(wù)，降低每片晶圓的成本。為了滿足汽車領(lǐng)域等終端應(yīng)用需求，ST、安森美、英飛凌、Wolfspeed和ROHM等領(lǐng)先廠商都致力于在不同地點(diǎn)建造設(shè)施，并宣布未來幾年的產(chǎn)能擴(kuò)張計(jì)劃。

例如，Wolfspeed的MHV晶圓廠自2022年開業(yè)以來一直在持續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)能，最近并在其新的生產(chǎn)設(shè)施John Palmour制造中心投資總計(jì)50億美元，用于開發(fā)200mm (約8吋)晶圓。

然而，事情并非如此簡單：為了在SiC制造領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟，就必須擁有專門用于SiC的昂貴設(shè)備。SiC晶圓的生長溫度超過2700℃，生長速度至少比Si慢200倍，這就需要大量的能量。另一方面，GaN在很大程度上可以使用與Si半導(dǎo)體制程相同的設(shè)備，GaN外延晶圓還可以在各自的基板(通常是Si、SiC或藍(lán)寶石)上生長，溫度為1000至1200℃，還不到SiC的一半。此外，SiC晶圓也比Si晶圓薄近50% (達(dá)500μm)，因此材料相當(dāng)脆，容易裂開和碎裂——這也是需要專用制程設(shè)備的另一個(gè)原因。

根據(jù)Wolfspeed執(zhí)行長Gregg Lowe表示，2018年6吋SiC晶圓的成本約為3,000美元，而6年后的2024年，7吋晶圓的成本已經(jīng)降到約850美元。而且，隨著SiC功率元件的不斷成熟，每個(gè)晶圓的成本還將繼續(xù)下降。成本最佳化的一個(gè)重大飛躍是擴(kuò)大晶圓尺寸，以及增加每個(gè)晶圓的元件數(shù)量。對于硅基GaN (GaN-on-Si)來說，這一點(diǎn)相對簡單，直徑較大的晶圓廠每周可生產(chǎn)數(shù)千片8吋晶圓，并透過CMOS制程控制實(shí)現(xiàn)出色的產(chǎn)線良率(98%)。

然而，類似的規(guī)模經(jīng)濟(jì)也可應(yīng)用于SiC晶圓生產(chǎn)，因?yàn)楝F(xiàn)在的公司都在朝向8吋晶圓邁進(jìn)，而就在十年前，150mm (約6吋)晶圓的大規(guī)模生產(chǎn)還只是剛剛開始。雖然SiC元件本身可能比Si和GaN元件昂貴，但事實(shí)上，為了保持相同性能，所需的功率元件要少得多。在系統(tǒng)層面上，這意味著減少了閘極驅(qū)動(dòng)器、磁性元件和其他周邊元件等，這些元件原本可能會(huì)用于硅基設(shè)計(jì)中。

GaN電壓超越700V

由于具有出色的高頻特性，GaN與砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)等其他化合半導(dǎo)體一樣，已成為適用于單晶微波積體電路(MMIC)和混合微波電路等高頻電路的III-V族半導(dǎo)體。GaN尤其適用于發(fā)射訊號(hào)鏈中的高功率放大器。目前，許多GaN代工服務(wù)通常使用GaN-on-SiC處理高頻應(yīng)用，不過，最近也有許多代工廠將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向利用GaN-on-Si實(shí)現(xiàn)射頻(RF)和電源應(yīng)用。

*聲明：本文系原作者創(chuàng)作。文章內(nèi)容系其個(gè)人觀點(diǎn)，我方轉(zhuǎn)載僅為分享與討論，不代表我方贊成或認(rèn)同，如有異議，請聯(lián)系后臺(tái)。