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GaN和SiC增利效应拉高 市场竞逐日趋白热化

多家供应商正在推出下一波基于氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)的功率半导体浪潮,从而为在市场上与传统的硅基器件进行对决奠定了根基。

功率半导体是专门的晶体管,结合了GaN,SiC和硅等竞争技巧。功率半导体在汽车,电源,太阳能和火车等高压利用顶用作开关。这些设备容许电流在“开”状态下游动,并在“关”状态下竣事电流。它们前进了效率,并将系统中的能量丧掉降至最低。

多年来,功率半导体市场不停以硅器件为主,即功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。两者都是成熟且便宜的,但它们在几个方面也达到了理论极限。

这便是GaN和SiC的上风。在市场上,多年来,GaN和SiC器件在各个领域都与IGBT和MOSFET竞争。GaN和SiC都是宽带隙技巧,这意味着它们比硅基器件更快,更高效。

图:若何对电源开关进行分类。滥觞/英飞凌

然则,GaN和SiC器件的采纳率相对较低,并且不会在短期内取代其硅竞争对手。根据市场阐发机构Yole的钻研数据,如今,基于硅的设备在全部功率半市场中的市场份额跨越90%。平日,GaN和SiC器件是具有寻衅性的一项技巧,且资源高昂。

不过,这种环境开始有所改变。新的GaN和SiC器件在市场上的影响开始显现。如,与硅基器件的个位数比拟,SiC的增长速率是两位数。Yole阐发师Hong Lin表示:“估计主要在汽车市场的推动下,碳化硅功率器件市场将快速增长。” “市场潜力伟大年夜,并且吸引了很多介入者。我们估计未来几年竞争将异常猛烈。”

由于,功率半导体市场正迎来一波技巧厘革热潮。此中:

Cree,ROHM和其他公司正在增添其本钱支出并建造新的SiC晶圆厂。供应商正在为电池电动汽车市场的伟大年夜需求做筹备。

汽车原始设备制造商正在确保与SiC器件制造商的供应协议,以满意需求。

GaN功率半导体供应商高效功率转换(EPC)正在对功率MOSFET进行所谓的“正面进击”。GaN正在各类系统中取得进展。

设备供应商看到复合半导体晶圆厂的需求在增添。

根据Yole的数据,功率器件市场估计将从2018年的175亿美元增长到2024年的跨越210亿美元。根据Yole的说法,此中SiC器件市场将从2018年的4.2亿美元增长到2019年的5.64亿美元。据该公司称,2018年GaN器件市场不到1000万美元。

“Si”会遣散?

根据市场势力巨子机构的数据,举世每小时总发电量为120亿千瓦。据称,举世80%以上的电力是经由过程电力电子系统传输的。

电力电子技巧使用各类设备来节制和转换系统中的电力,例如汽车,电机驱动器,电源,太阳能和风力涡轮机。

平日,在系统的转换历程中会有损耗。例如,根据NC State的数据,一年内出售的台式PC所挥霍的电力相称于17个500MW的发电厂。

是以,该行业必要更高效的器件,例如功率半导体和其他芯片。

只管如斯,仍有几种功率半导体可供选择。在硅片方面,选择包括功率MOSFET,超结功率MOSFET和IGBT。

功率MOSFET被觉得是最便宜和最受迎接的器件,用于适配器,电源和其他产品。它们用于10V至500V的低压利用。

超结功率MOSFET是增强型MOSFET,用于500至900V系统中。同时,领先的中端功率半导体器件是IGBT,其用于1200V至6.6KV的利用。

MOSFET在较低电压段中与GaN器件竞争,而IGBT和SiC在高端电压下并驾齐驱。所有设备在600至900V特范围内互相竞争。

无论若何,IGBT和功率MOSFET在可预见的将来仍将是主流技巧。英飞凌高档认真人Gerald Deboy表示:“硅技巧是一种异常成熟的技巧,在很多方面具备上风,包括从供应链和内部临盆流程到客户现有的设计和流程。“这便是为什么许多年以来基于硅的功率开关将继承作为首选技巧的缘故原由。”

然则,基于硅的器件具有一些局限性,例如高传导损耗和低开关频率。传导损耗归因于设备中的电阻

这便是OEM厂商对GaN和SiC两种宽带隙技巧感兴趣的缘故原由。硅的带隙为1.1 eV。比拟之下,SiC的带隙为3.3 eV,而GaN为3.4 eV。

联华电子公司市场营销副总裁Steven Liu说:“ GaN和SiC是宽带隙材料,这意味着晶体华夏子的键能更高。” “与基于硅的同类产品比拟,SiC和GaN具有更高的效率和更小的外形因数特点,是以是功率半导体市场很有代价的组件。在具有相同的相对电压和电流处置惩罚能力的环境下,这些器件的尺寸可以小得多。”

GaN和SiC功率半导体产品已经开始出货,但它们仍旧很昂贵。制造资源是阻碍市场增长的主要障碍,由于本日两者仍主要应用6英寸及以下的晶圆进行临盆。一旦资源可以前进到必然的门槛,市场规模就会爆发。

根据英飞凌的说法,所有功率半导体类型仍旧存在。鉴于英飞凌贩卖IGBT,MOSFET,GaN和SiC,是以具有独特的视角。

英飞凌Deboy曾说:“选择宽带隙器件而不是传统硅的标准取决于平衡特定利用的系统资源和机能要求。” “在许多利用中,基于宽带隙材料的系统的资源和机能目标都达到了临界点。根据特定的利用,纵然GaN或SiC器件本身比硅替代品更昂贵,GaN或SiC器件在系统级的资源位置仍旧更好。”

什么是SiC?

碳化硅市场正在升温。SiC器件的供应商包括Cree / Wolfspeed,英飞凌,三菱,安森美半导体,意法半导体,Rohm和Toshiba。

SiC是基于硅和碳的化合物半导体材料。它的击穿场强是硅的10倍,导热系数是硅的3倍。

有两种SiC器件类型:SiC功率MOSFET和二极管。SiC功率MOSFET是功率开关晶体管。二极管在一个偏向经由过程电流,而在相反偏向阻拦电流。

SiC器件今朝在150mm的晶圆厂中临盆,200mm尚在研发中。在临盆流程中,开拓了SiC衬底。在衬底上发展外延层。然后将其处置惩罚到设备中。

制作基材是最大年夜的寻衅。Applied Materials计谋营销总监Llewellyn Vaughan-Edmunds 说:“这种较宽的带隙使材料具有精良的特点,例如更快的开关速率和更高的功率密度。” “主要寻衅是基材缺陷。基面位错和螺钉位错会孕育发生“致命缺陷”,SiC器件必须削减这种缺陷,才能得到商业成功所需的高产量。”

为了办理资源问题,一些供应商正在开拓200mm SiC晶圆厂。这将增添每个晶片的管芯,从而低落资源。

同时,基于SiC的器件用于600V至10KV的利用中。在高端市场,一些公司出售3.3至10KV的设备,用于电网,火车和风力发电。

SiC的还可以利用在600至1200V特范围内。为此,电动汽车是最大年夜的市场,其次是电源和太阳能。

多年来,电动汽车原始设备制造商在车辆的许多零件中都应用了IGBT和MOSFET。例如,特斯拉不再应用IGBT,而是开始将意法半导体的SiC功率器件用于其Model 3汽车中的牵引逆变器。牵引逆变器向电念头供给牵引力以推动车辆。SiC器件还用于电动汽车的DC-DC转换器和车载充电器。其他OEM也正在评估或应用SiC。

赓续成长的GaN

同时,二元III-V材料GaN的击穿场强是硅的两倍,其电子迁移率是其两倍。

GaN用于LED,电力电子设备和RF。GaN的RF版本用于5G,雷达和其他利用。功率开关利用中应用了不合的GaN功率器件。EPC,GaN Systems,Navitas,Panasonic,Transphorm和其他公司贩卖GaN功率器件。

这些设备在150mm晶圆上制造。许多供应商的设备都是由Episil和TSMC代工临盆的。

在EPC的GaN流程中,氮化铝(AlN)薄层沉积在硅基板上。在AlN层上发展GaN层。在GaN层上形成源极,栅极和漏极。

Lam公司曾表示,“从技巧角度看,GaN的成熟程度仍不及SiC。” “假如人们斟酌应用硅上GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)技巧,则因为硅上GaN MOCVD的发展质量,良率仍旧令人担忧。设备机能和靠得住性仍旧存在寻衅。”

同时,在器件方面,GaN半导体针对不合的市场。EPC和其他产品在15至200V的较低电压段中竞争。在这些领域中,GaN与功率MOSFET竞争。

其他公司则在600、650和900V市场中竞争。这些器件可与IGBT,MOSFET和SiC竞争。

GaN在600V,650V和900V市场,分外是在破费类适配器市场和其他系统中,正得到越来越多的关注。

对付600V特和650V特,GaN适用于适配器,汽车和电源。GaN的900V特电压适用于汽车,电池充电器,电源和太阳能。像SiC一样,GaN试图在电动汽车中得到更大年夜的吸引力,分外是对付车载充电器和DC-DC转换器。

结论

显然,GaN和SiC正在发告竣长。这些器件为工程师设计供给了更多选择。然则它们还不会取代硅(Si)。由于在一些日常成熟的产品中很难调换认识的技巧。

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