碳化硅霸主地位，是否真的穩(wěn)固？

發(fā)布時間：2024-03-21作者來源：薩科微瀏覽：1632

碳化硅是一種優(yōu)異的半導體材料，具有高熱導率、高耐溫性、硬度高等特點，因而在功率電子、光電子等領域得到廣泛應用。受益于新能源汽車、電力電子、光伏等領域的快速發(fā)展，碳化硅產(chǎn)業(yè)迎來了巨大的市場機遇，產(chǎn)量和銷售額都呈現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢。隨著下游應用市場的強勁需求，碳化硅產(chǎn)業(yè)正處于高速成長期。而碳化硅的地位真有我們想象中那么穩(wěn)固嗎？

來源：中國電科

氮化鎵：與“碳化硅”正面剛？

有行業(yè)人士認為，未來，不排除氮化鎵能與碳化硅正面“剛”的可能，特別是汽車領域。

在國家‘雙碳’政策的支持下，近年來氮化鎵在功率電子領域也開始從消費電子電源不斷向數(shù)據(jù)中心、光伏/儲能、新能源汽車等附加值領域加速滲透，未來這些市場有望成為GaN產(chǎn)品規(guī)模擴張的主要動力。

2018年，氮化鎵快充進入中國市場之后，充電器的發(fā)展猶如坐上飛天火箭，功率越來越大，從最初的的5W到現(xiàn)在的超百瓦。在移動充電充電器潛伏很久的氮化鎵，在電動車飛速發(fā)展的時代，迎來新機遇。

3月2日，英飛凌以8.3億美元的價格收購GaN功率半導體廠商 GaN Systems。這一舉動的背后是英飛凌看好氮化鎵市場的發(fā)展，尤其到2030年，氮化鎵的全球使用量將會大大超過碳化硅，并且在多個領域取代碳化硅的應用。

在汽車領域，GaN主要應用于48V系統(tǒng)的功率電子、車載充電機和DC/DC轉換器，將來可以擴展到逆變器。

氮化鎵器件用于新能源汽車的車載充電器、DC/DC轉換器等領域時，可在節(jié)能70%的同時使充電效率達到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域。

而從總的應用趨勢來看，目前，80V-650V區(qū)域是GaN的天下，整個市場規(guī)模約為70億美元，手機、筆記本電源適配器、家電是主要應用領域；1200V-6500V的高壓部分更適合碳化硅(SiC)，整體市場規(guī)模達到了93億美元，電動汽車、新能源、軌道交通、電網(wǎng)等是其核心市場；而在兩者之間則是GaN和SiC可以共存的市場，主要包括數(shù)據(jù)中心、電動車等，市場規(guī)模達到了61億美元。

高達220億美元的第三代半導體市場圖片來源：Navitas

所以，這樣看來，GaN與SiC的競爭主要集中在650V及以上的領域。那為何說GaN有硬剛SiC的可能？一方面，GaN在大功率汽車應用上確實存在局限性，但在600V以下的器件是[敏感詞]，隨著汽車制造商在信息娛樂、快速通信、激光雷達等汽車智能化設備的需求增加，對48V系統(tǒng)的興趣越來越大，GaN具有成本競爭力；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可在較便宜的硅襯底上生長，同時氮化鎵在高頻應用上具備優(yōu)勢，可以在確保產(chǎn)品性能的同時實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化、小型化，這是整車廠最為關心的。

氮化鋁：悄悄上位？

氮化鋁材料在半導體領域一直備受關注。據(jù)日經(jīng)新聞網(wǎng)消息，日本名古屋大學的研究團隊研發(fā)出新型氮化鋁功率半導體，可大幅降低電力損耗。該研究團隊在氮化鋁基板上用不同于原來的做法制造了2種氮化鋁半導體，結果顯示電子流動順暢，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體的八分之一。

氮化鋁材質的pn結二極管

氮化鋁作為第三代半導體材料的代表，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，介電擊穿電場強度也高。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。

實際上，氮化鋁在半導體領域的潛力一直在被挖掘。

2022年，日本公司NTT使用AlN成功實現(xiàn)晶體管操作，據(jù)說這是全球[敏感詞]成功實現(xiàn)將其用作功率半導體所需的晶體管操作；2023年，日本京都大學的一個研究小組證實了氮化鋁p型導電控制的可能性，氮化鋁是超寬帶隙半導體的主要候選材料之一。

近年來，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晶體管競爭的特性。

在名古屋論文的合著者，寫道利用分布式極化摻雜技術來展示具有商業(yè)競爭力的功率晶體管是可能的。基于AlN的垂直異質結雙極晶體管由兩個p-n結組成，具有良好的功率和面積效率，是我們的目標器件。

氮化鋁優(yōu)勢確實比GaN和SiC大，但是AlN晶體生產(chǎn)成本高、尺寸小是導致AlN器件在商業(yè)化應用上受到極大的限制。

可見，AlN想上位，還需要時間。

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，在某些性能上甚至超過碳化硅。在未來，碳化硅也面臨著來自更經(jīng)濟、更易于加工的材料的競爭。

參考來源：
PSD功率系統(tǒng)設計：競爭|GaN 卷上了 SiC?
中國科學院半導體研究所：GaN和SiC，是共存還是替代?
半導體行業(yè)觀察：第三代半導體技術，迎來勁敵
電子新材料：2023年氮化鋁領域全球十個重要進展盤點
寬禁帶半導體技術創(chuàng)新聯(lián)盟：“后起之秀”氮化鎵未來幾大新的增長點

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