摘要：宽带隙(Wide bandgap，WBG)半导体在电力电子和高频电路领域掀起了一场风暴，取代了许多以前由硅基(Si-based)元件主导的应用，例如用于高压直流/直流(DC/DC)转换的绝缘闸双极电晶体(IGBT)等。
本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自eettaiwan
碳化硅与氮化镓在技术与应用中有何区别？
宽带隙(Wide bandgap，WBG)半导体在电力电子和高频电路领域掀起了一场风暴，取代了许多以前由硅基(Si-based)元件主导的应用，例如用于高压直流/直流(DC/DC)转换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解决方案，以便尽可能地降低开关损耗，这早已不是什么秘密了。
从电动车(EV)中的牵引逆变器、车载充电器(OBC)和高压DC-DC转换器，到工业/商业应用中的不断电供应系统(UPS)和太阳能转换器，宽带隙半导体为许多下一代电子产品开辟了广阔的市场。
碳化硅(SiC)基板已在电动车和一些工业应用中确立了一席之地。然而，近来氮化镓(GaN)持续浮出台面，成为许多重叠应用的有力选择。了解这两种功率元件的应用、基板材料在高功率电路中的区别、技术发展及其各自的制造考虑因素，或许能为这两种持续普及的化合物半导体未来带来更多启发。
GaN、SiC功率元件持续成长轨迹
根据Yole Group的统计，2029年全球GaN功率市场将成长超过22.5亿美元，2023年到2029年间的年复合成长率(CAGR)达到44%；SiC功率元件市场更预期将在2029年突破百亿美元。过去六个月以来，包括GaN和SiC的这一宽带隙功率半导体产业已发布超过16亿美元的投资，包括并购和其他资金投入。
从特斯拉(Tesla)开始在其逆变器中采用SiC以来，时至今日，另一个趋势正在重塑电动车市场，即以800V快速充电缩短电动车的充电时间。SiC由于具有良好的性能和不断发展的供应链，成为这一发展的关键推动力。截至2023年，包括比亚迪(BYD)的汉、现代(Hyundai)的Ioniq5等采用SiC的大量电动车正陆续出货。
Yole的报告中指出，2023年，英飞凌科技(Infineon Technologies)、安森美(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，预计SiC整体营收仍持续成长，并于2029年达到近100亿美元的市场规模。除了汽车之外，工业、能源和铁路应用也提供了额外的成长动能。产能建设、业务整合以及新的商业模式等进展，预计将在未来数年内将SiC提升到另一个层次。
另一方面，消费应用则是功率GaN市场成长的主要驱动力。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效率和紧凑性。除了消费领域外，Yole预计GaN功率元件市场的另外两个成长催化剂是汽车和资料中心应用，到2029年带来超过20亿美元的市场规模。
2023年，英飞凌以8.3亿美元收购GaN Systems是迄今为止该产业最大的交易，另一个重大收购案是瑞萨电子(Renesas Electronics)以3.39亿美元收购Transphorm。目前，这一产业正在整合，预计还会有其他并购，并将改变以IDM业务模式为主导的生态系统。
图1：SiC和GaN自2018～2019年开始持续快速成长，如今已成为功率半导体产业的关键领域。(来源：Yole Group)
宽带隙材料的优势
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，由于热激发载流子在高温下更为丰富而导通，其电阻往往随之下降。更宽带隙的半导体需要更高的温度(更多的能量)来激发电子从价带(valence band)跨越能隙到导带(conduction band)。这将直接带来更强大的功率处理能力和更高的元件效率。
从表1中可以看出，SiC和GaN的击穿电场、电子迁移率、饱和速度和热导率都远高于Si——所有这些因素都能提高开关频率和功率密度。但是，高开关频率会导致更多的损耗和更低的场效电晶体(FET)效率，因此最佳化功率元件的品质因数(FoM)，即Rds(on) ×Q g，或最佳化通道电阻和闸极电荷以降低传导损耗和开关损耗至关重要。
表1：Si、SiC和GaN的特性。
一般来说，GaN FET的最高电压约为650V，应用功率约为10kW，而750V和1200V SiC FET也并不罕见，应用功率从1kW到数百万瓦不等(如图2)。SiC具有出色的导热性，因此可以用更小的封装实现类似的额定功率。然而，GaN元件的开关速度更快(注：其电子迁移率明显更高)，这相应地又将转化为更高的dv/dt，从而可能实现更高的转换器效率。
图2：各种功率元件的功率与频率关系图。(来源：TI)
自从特斯拉宣布在其Model 3车型中使用全SiC功率模组后，这个电力电子领域的宠儿——SiC即获得了巨大的关注。2018年，特斯拉在其推出的Model 3中率先采用ST的SiC元件。根据System Plus Consulting的拆解报告显示，该功率模组中包含ST的SiC MOSFET (图3)。这显示SiC功率元件非常适合用于电动车电源设计。除了牵引逆变器，它还可用于车载充电器和DC/DC转换器。
自2010年科锐(Cree；后更名Wolfspeed)将SiC MOSFET商业化以来，SiC的需求稳步上升，业界主要的参与厂商更利用《芯片法案》(CHIPS Act)提供的税收减免来扩大业务，降低每片晶圆的成本。为了满足汽车领域等终端应用需求，ST、安森美、英飞凌、Wolfspeed和ROHM等领先厂商都致力于在不同地点建造设施，并宣布未来几年的产能扩张计划。
例如，Wolfspeed的MHV晶圆厂自2022年开业以来一直在持续扩大产能，最近并在其新的生产设施John Palmour制造中心投资总计50亿美元，用于开发200mm (约8吋)晶圆。
然而，事情并非如此简单：为了在SiC制造领域站稳脚跟，就必须拥有专门用于SiC的昂贵设备。SiC晶圆的生长温度超过2700℃，生长速度至少比Si慢200倍，这就需要大量的能量。另一方面，GaN在很大程度上可以使用与Si半导体制程相同的设备，GaN外延晶圆还可以在各自的基板(通常是Si、SiC或蓝宝石)上生长，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)，因此材料相当脆，容易裂开和碎裂——这也是需要专用制程设备的另一个原因。
根据Wolfspeed执行长Gregg Lowe表示，2018年6吋SiC晶圆的成本约为3,000美元，而6年后的2024年，7吋晶圆的成本已经降到约850美元。而且，随着SiC功率元件的不断成熟，每个晶圆的成本还将继续下降。成本最佳化的一个重大飞跃是扩大晶圆尺寸，以及增加每个晶圆的元件数量。对于硅基GaN (GaN-on-Si)来说，这一点相对简单，直径较大的晶圆厂每周可生产数千片8吋晶圆，并透过CMOS制程控制实现出色的产线良率(98%)。
然而，类似的规模经济也可应用于SiC晶圆生产，因为现在的公司都在朝向8吋晶圆迈进，而就在十年前，150mm (约6吋)晶圆的大规模生产还只是刚刚开始。虽然SiC元件本身可能比Si和GaN元件昂贵，但事实上，为了保持相同性能，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、磁性元件和其他周边元件等，这些元件原本可能会用于硅基设计中。
GaN电压超越700V
由于具有出色的高频特性，GaN与砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)等其他化合半导体一样，已成为适用于单晶微波积体电路(MMIC)和混合微波电路等高频电路的III-V族半导体。GaN尤其适用于发射讯号链中的高功率放大器。目前，许多GaN代工服务通常使用GaN-on-SiC处理高频应用，不过，最近也有许多代工厂将重点转向利用GaN-on-Si实现射频(RF)和电源应用。
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来源：汽车后勤队