GaN和SiC增利效应拉高，市场竞逐日趋白热化
#111723#<p>多家供给商正在推出下一波基于氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的功率半导体海潮，从而为在市场上与传统的硅基器件停止对决奠基了基本。<p>功率半导体是专门的晶体管，联合了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。这些装备容许电流在“开”状况下贱动，并在“关”状况下结束电流。它们进步了效力，并将体系中的能量丧失降至最低。
<p>多年来，功率半导体市场始终以硅器件为主，即功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管（IGBT）。二者都是成熟且廉价的，但它们在几个方面也到达了实践极限。
<p>这就是GaN和SiC的上风。在市场上，多年来，GaN和SiC器件在各个范畴都与IGBT和MOSFET竞争。GaN和SiC都是宽带隙技巧，这象征着它们比硅基器件更快，更高效。
图：怎样对电源开关停止分类。起源/英飞凌
<p>然而，GaN和SiC器件的采取率绝对较低，而且不会在短期内代替其硅竞争敌手。依据市场剖析机构Yole的研讨数据，现在，基于硅的装备在全部功率半市场中的市场份额超越90％。平日，GaN和SiC器件是存在挑衅性的一项技巧，且本钱昂扬。
<p>不外，这类情形开端有所转变。新的GaN和SiC器件在市场上的影响开端浮现。如，与硅基器件的个位数比拟，SiC的增加速率是两位数。Yole剖析师Hong Lin表现：“估计重要在汽车市场的推进下，碳化硅功率器件市场将疾速增加。” “市场潜力宏大，而且吸引了良多参加者。咱们估计将来几年竞争将十分剧烈。”
<p>由于，功率半导体市场正迎来一波技巧变更高潮。此中：
<p>Cree，ROHM和其余公司正在增添其资源付出并制作新的SiC晶圆厂。供给商正在为电池电动汽车市场的宏大需要做筹备。
<p>汽车原始装备制作商正在确保与SiC器件制作商的供给协定，以满意需要。
<p>GaN功率半导体供给商高效功率转换（EPC）正在对功率MOSFET停止所谓的“正面攻打”。GaN正在种种体系中获得停顿。
<p>装备供给商看到复合半导体晶圆厂的需要在增添。
<p>依据Yole的数据，功率器件市场估计将从2018年的175亿美元增加到2024年的超越210亿美元。依据Yole的说法，此中SiC器件市场将从2018年的4.2亿美元增加到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”会闭幕？<p>依据市场威望机构的数据，寰球每小时总发电量为120亿千瓦。据称，寰球80％以上的电力是通过电力电子体系传输的。
<p>电力电子技巧应用种种装备来把持和转换体系中的电力，比方汽车，机电驱动器，电源，太阳能微风力涡轮机。
<p>平日，在体系的转换进程中会有消耗。比方，依据NC State的数据，一年内出卖的台式PC所挥霍的电力相称于17个500MW的发电厂。
<p>因而，该行业须要更高效的器件，比方功率半导体和其余芯片。
<p>虽然如斯，仍有几种功率半导体可供抉择。在硅片方面，抉择包含功率MOSFET，超结功率MOSFET和IGBT。
<p>功率MOSFET被以为是最廉价和最受欢送的器件，用于适配器，电源和其余产物。它们用于10V至500V的高压利用。
<p>超结功率MOSFET是加强型MOSFET，用于500至900V体系中。同时，当先的中端功率半导体器件是IGBT，其用于1200V至6.6KV的利用。
<p>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。全部装备在600至900V特范畴内彼此竞争。
<p>不管怎样，IGBT和功率MOSFET在可预感的未来仍将是主流技巧。英飞凌高等担任人Gerald Deboy表现：“硅技巧是一种十分成熟的技巧，在良多方面具有上风，包含从供给链和外部出产流程到客户现有的计划和流程。“这就是为甚么很多年以来基于硅的功率开关将持续作为首选技巧的缘由。”
<p>然而，基于硅的器件存在一些范围性，比方高传导消耗和低开关频率。传导消耗归因于装备中的电阻。
<p>这就是OEM厂商对GaN和SiC两种宽带隙技巧感兴致的缘由。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。
<p>联华电子公司市场营销副总裁Steven Liu说：“ GaN和SiC是宽带隙资料，这象征着晶体华夏子的键能更高。” “与基于硅的同类产物比拟，SiC和GaN存在更高的效力和更小的外形因数特征，因而是功率半导体市场很有代价的组件。在存在雷同的绝对电压和电流处置才能的情形下，这些器件的尺寸能够小很多。”
<p>GaN和SiC功率半导体产物曾经开端出货，但它们依然很昂贵。制作本钱是妨碍市场增加的重要阻碍，由于明天二者仍重要应用6英寸及以下的晶圆停止出产。一旦本钱能够进步到必定的门坎，市场范围就会暴发。
<p>依据英飞凌的说法，全部功率半导体范例依然存在。鉴于英飞凌贩卖IGBT，MOSFET，GaN和SiC，因而存在奇特的视角。
<p>英飞凌Deboy曾说：“抉择宽带隙器件而不是传统硅的尺度取决于均衡特定利用的体系本钱和机能请求。” “在很多利用中，基于宽带隙资料的体系的本钱和机能目的都到达了临界点。依据特定的利用，即便GaN或SiC器件自身比硅替换品更昂贵，GaN或SiC器件在体系级的本钱地位依然更好。”
甚么是SiC？<p>碳化硅市场正在升温。SiC器件的供给商包含Cree / Wolfspeed，英飞凌，三菱，安森美半导体，意法半导体，Rohm和Toshiba。
<p>SiC是基于硅和碳的化合物半导体资料。它的击穿场强是硅的10倍，导热系数是硅的3倍。
<p>有两种SiC器件范例：SiC功率MOSFET和二极管。SiC功率MOSFET是功率开关晶体管。二极管在一个偏向通过电流，而在相反偏向禁止电流。
<p>SiC器件现在在150mm的晶圆厂中出产，200mm尚在研发中。在出产流程中，开辟了SiC衬底。在衬底上成长外延层。而后将其处置到装备中。
<p>制造基材是最大的挑衅。Applied Materials策略营销总监Llewellyn Vaughan-Edmunds 说：“这类较宽的带隙使资料存在良好的特征，比方更快的开关速率和更高的功率密度。” “重要挑衅是基材缺点。基面位错和螺钉位错会发生“致命缺点”，SiC器件必需增加这类缺点，才干取得贸易胜利所需的高产量。”
<p>为懂得决本钱成绩，一些供给商正在开辟200mm SiC晶圆厂。这将增添每个晶片的管芯，从而下降本钱。
<p>同时，基于SiC的器件用于600V至10KV的利用中。在高端市场，一些公司出卖3.3至10KV的装备，用于电网，火车微风力发电。
<p>SiC的还能够利用在600至1200V特范畴内。为此，电动汽车是最大的市场，其次是电源和太阳能。
<p>多年来，电动汽车原始装备制作商在车辆的很多整机中都应用了IGBT和MOSFET。比方，特斯拉不再应用IGBT，而是开端将意法半导体的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进车辆。SiC器件还用于电动汽车的DC-DC转换器和车载充电器。其余OEM也正在评价或应用SiC。
一直开展的GaN<p>同时，二元III-V资料GaN的击穿场强是硅的两倍，其电子迁徙率是其两倍。
<p>GaN用于LED，电力电子装备和RF。GaN的RF版本用于5G，雷达和其余利用。功率开关利用中应用了差别的GaN功率器件。EPC，GaN Systems，Navitas，Panasonic，Transphorm和其余公司贩卖GaN功率器件。
<p>这些装备在150mm晶圆上制作。很多供给商的装备都是由Episil和TSMC代工出产的。
<p>在EPC的GaN流程中，氮化铝（AlN）薄层堆积在硅基板上。在AlN层上成长GaN层。在GaN层上构成源极，栅极和漏极。
<p>Lam公司曾表现，“从技巧角度看，GaN的成熟水平仍不迭SiC。” “假如人们斟酌应用硅上GaN HEMT（高电子迁徙率晶体管）技巧，则因为硅上GaN MOCVD的成长品质，良率依然使人耽忧。装备机能和牢靠性依然存在挑衅。”
<p>同时，在器件方面，GaN半导体针对差别的市场。EPC和其余产物在15至200V的较低电压段中竞争。在这些范畴中，GaN与功率MOSFET竞争。
<p>其余公司则在600、650和900V市场中竞争。这些器件可与IGBT，MOSFET和SiC竞争。
<p>GaN在600V，650V和900V市场，特殊是在花费类适配器市场和其余体系中，正取得越来越多的存眷。
<p>对于600V特和650V特，GaN实用于适配器，汽车和电源。GaN的900V特电压实用于汽车，电池充电器，电源和太阳能。像SiC一样，GaN试图在电动汽车中取得更大的吸引力，特殊是对于车载充电器和DC-DC转换器。
<p>论断
<p>明显，GaN和SiC正在发达开展。这些器件为工程师计划供给了更多抉择。然而它们还不会代替硅（Si）。由于在一些平常成熟的产物中很难调换熟习的技巧。
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