浅谈SiC 和 GaN 的未来发展路线

SiC 和 GaN 的未来发展路线是清晰可靠的，但达到量产标准还需要数年时间。随着物联网、5G时代的到来，以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等为代表的化合物半导体正在快速崛起。

GaN晶体管

在射频（RF）功率领域，GaN晶体管被发现有早期的商机。该材料的本质使耗尽型场效应晶体管（FET）得以发展。耗尽型（或D型）FET被称为假态高电子迁移率晶体管（pHEMT），是天然“导通”的器件；由于没有门极控制输入，存在一个自然的导通通道。门极输入信号控制通道的导通，并导通和关断该器件。由于在开关应用中，通常“关断”的增强型（或E型）器件是首选，这导致了E型GaN器件的发展。首先是两个FET器件的级联。现在，标准的e型GaN器件已问世。它们可以在高达10兆赫兹频率下进行开关，功率达几十千瓦。GaN器件被广泛用于无线设备中，作为频率高达100 GHz的功率放大器。一些主要的用例是蜂窝基站功率放大器、军用雷达、卫星发射器和通用射频放大。然而，由于高压（高达1000 V）、高温和快速开关，它们也被纳入各种开关电源应用，如DC-DC转换器、逆变器和电池充电器。

SiC晶体管

SiC晶体管是天然的E型MOSFET。这些器件可在高达1 MHz的频率下进行开关，其电压和电流水平远高于硅MOSFET。最大漏源电压高达约1800 V，电流能力为100安培。此外，SiC器件的导通电阻比硅MOSFET低得多，因而在所有开关电源应用（SMPS设计）中的能效更高。一个关键的缺点是它们需要比其他MOSFET更高的门极驱动电压，但随着设计的改进，这不再是缺点。SiC器件需要18至20伏的门极电压驱动，导通具有低导通电阻的器件。标准的Si MOSFET只需要不到10伏的门极就能完全导通。此外，SiC器件需要一个-3至-5 V的门极驱动来切换到关断状态。不过，专用门极驱动IC已被开发出来满足这一需要。

SiC MOSFET通常比其他替代品更贵，但其高压、高电流的能力使它们很适合用于汽车电源电路。在应用上，SiC 和GaN的优势也是互补的。GaN拥有更高的热导率和更成熟的技术，而GaN 直接跃迁、高电子迁移率和饱和电子速率、成本更低的优点则使其拥有更快的研发速度。两者的不同优势决定了应用范围上的差异。SiC的市场应用偏向高频小电力领域，集中在1000V以下；而SiC 适用于1200V 以上的高温大电力领域，两者的应用领域覆盖了新能源汽车、光伏、机车牵引、智能电网、节能家电、通信射频等大多数具有广阔发展前景的新兴应用市场。

与GaN 相比，SiC热导率是GaN 的三倍以上，在高温应用领域更有优势；同时SiC单晶的制备技术相对更成熟，所以SiC 功率器件的种类远多于GaN。但是GaN并不完全处于劣势，甚至被称为SiC器件获得成长的最大抑制因素。随着GaN制造工艺在不断进步，在GaN-on-Si外延片上制造的GaN器件具有相当低的成本，比在SiC芯片上制造任何产品都更为容易。由于这些原因，GaN晶体管可能会成为2020年代后期逆变器中的首选，优于较昂贵的SiC MOSFET。

GaN和SiC功率晶体管作为电源管理领域目前备受推崇的新型创新技术，但仍有挑战需要克服，尤其是高成本和低可靠性。在应对气候变化和最近的能源危机等挑战时，当务之急是降低电子设备的功耗和发热。云计算、元宇宙的大型数据中心以及新型智能手机等各种小型电子设备将继续投资。SiC 和 GaN 都可以提供更小的尺寸和更低的热/功耗，但它们成为标准技术还需要一些时间。

GaN/SiC 应该用于尖端技术研究

在德国慕尼黑举办的欧洲最大的电子展electronica 2022上（2022年11月15-18日），美国EE Times的Maurizio Di Paolo Emilio先生主持了圆桌讨论，功率半导体厂商高管就当前和未来的挑战/围绕 GaN/SiC 功率晶体管的机会展开了讨论。他们表示：我们特别关注它的制造和发展趋势。虽然这场讨论着重强调了 GaN/SiC 功率晶体管的优势，但也明确表示硅 MOSFET 不会很快消失。尽管 GaN 晶体管的制造成本已经达到与 MOSFET 相似或更低的水平，但要赶上量产还需要几十年的时间。Navitas Semiconductor 企业营销和 IR 副总裁 Stephen Oliver 表示：“第一次功率革命发生在双极型晶体管变成 MOSFET 时，我们现在正处于第二次革命的节点。有了 GaN/SiC，硅即将消失，为了攻克集成化、高压等前沿技术，我们应该朝着GaN/SiC的专攻方向前进。”很明显，这两种化合物最终将取代硅 MOSFET 和双极型晶体管。问题是什么时候可以实现，会产生什么样的成本？

Efficient Power Conversion （EPC） 首席执行官 Alex Lidow 表示，“目前的一些应用在未来 10 到 15 年或更长时间内将继续使用硅 MOSFET。MOSFET 将继续增长。预计 GaN 功率晶体管的低迷不仅在速率上，也在体积增长上，但价格会像双极型晶体管一样继续上涨，这是长期周期的一个方面。因为它比 MOSFET 更便宜。”业界预计 GaN/SiC 组合功率晶体管将在 2030 年达到 MOSFET 的市场价值。

Infineon Technologies 高级负责人 Gerald Deboy 表示：“目前，硅占整个市场的 95%。当然 SiC/GaN 正在以非常快的速度增长。我们需要确保所有类型的技术开发，以便进行尖端设计，实现 SiC 和 GaN 的高级差异化。而硅填补了这些空白，并且至少在未来十年内所有技术都将共存。从SiC/GaN的增长来看，虽然GaN在SiC方面略落后，但GaN的增长速度非常快，这为我们提供了许多机会。”

到 2023 年，部分 GaN 价格将与 MOSFET 持平

Wolfspeed 功率产品高级总监 Guy Moxey 表示：“ 2021 年，硅 MOSFET 分立模块的功率半导体市场规模大约为 280 亿美元，而 SiC 约为 20 亿美元，GaN 约为 10 亿美元。规模不大，略低于美元，但到2030年，预计还需要几个设计周期，SiC市场规模将达到200亿美元左右，GaN市场规模将超过50-60亿美元，有望达到各自的规模。”据小组成员称，到 2023 年，对于某些低压应用，GaN 的价格将与 MOSFET 持平。“在价格方面，例如，在 65W USB PD（电力输送）充电的情况下，GaN 和硅系统预计在 2023 年上半年具有可比的系统价格。同时，它们的价格要小三分之一，它更小更轻，为移动计算行业提供了强大的价值。”

GaN 技术是低电压应用的理想选择，但对于结合使用这两种技术的汽车应用，可靠性仍面临挑战。Power Integrations 市场营销和应用工程副总裁 Doug Bailey 说：“GaN 面临的主要问题是它的速度超快，需要放慢速度，需要限制寄生电感。我们正在采取一项战略来集成 GaN 和 SiC。”SiC 可以在更高的电压下工作，但比硅更难制造。因此，制造商正在投资数十亿美元来提高产能以满足需求。

ROHM Semiconductor Europe 汽车事业部和电源系统总监 Aly Mashaly 表示：“我们早就知道这需要时间，2016 年我们宣布了有史以来最大的投资。硅芯片，以及我们自己的模块制造工厂。”对于小组成员来说，SiC 和 GaN 的前进道路是清晰的，而且技术是可靠的。但我们还需要数年时间才能提高产量、获得更多设计胜利并达到电子行业需要具有竞争力的价格点。

编辑：黄飞