伴随着新能源汽车的持续火热,碳化硅(SiC)受到了更多的追捧,TechInsights报告指出,预计碳化硅市场收益在2022年至2027年期间将以35%的复合年增长率从12亿美元增长到53亿美元,到2029年,该市场规模将增长到94亿美元,其中中国将占一半。
作为第三代半导体材料,碳化硅相较于硅材料,具有大禁带宽度、高击穿电场、高饱和电子漂移速度、高热导率、高抗辐射等特点,因而广泛应用于新能源车的主驱逆变器、OBC、DC/DC 转换器和非车载充电桩等关键电驱电控部件。
但当我们看向整个第三代半导体市场时,会发现与碳化硅类似的氮化镓(GaN),受重视程度却稍逊一筹,但实质上氮化镓这一种材料在性能上独具特色,具有很多碳化硅所没有的优势,如今东芝、罗姆等大厂们先后入场,让这一材料成为了功率半导体新的增长点。
仅从物理特性来看,氮化镓甚至比碳化硅更适合做功率半导体的材料。有研究比较了这两种材料的“Baliga性能指数(半导体材料相对于硅的性能数值,即硅为1)”,4H-碳化硅为500,氮化镓为900,效率相对更高。
此外,碳化硅的绝缘破坏电场强度(表示材料的耐电压特性)为2.8MV/cm,氮化镓为3.3MV/cm,这一数值也比碳化硅来得高。一般而言,低频工作时的功耗损失是绝缘破坏电场的三次方,高频工作时的功耗损失是绝缘破坏电场的2次方,成反比例关系,所以,数值更高的氮化镓的在功率损耗上更低,即工作效率比碳化硅更高。
有媒体指出,随着氮化镓耐压能力的进一步提升,其可实现承受1200V超高电压,并具备更高性价比,在新能源市场的应用优势将会逐步推出,市场前景更为广阔。
也就是说,未来的氮化镓有望超越碳化硅,成为第三代半导体中最闪耀的一颗星星,而有关它的技术上的更迭变化,成为了新的功率半导体风向标。
大厂涌向氮化镓
作为第三代半导体的翘楚,大量厂商力图在GaN上实现技术突破以抢占市场先机,为了让功率 GaN 达到更高的击穿电压(>1200V),部分技术创新已经登上舞台,例如垂直 GaN-on-GaN,以及通过使用电隔离衬底实现更多单片集成,例如 IMEC 在 GaN-on 方面的工作-SOI 或 GaN-on-QST。
更值得大家关注的是,更多功率器件厂商加入到这场混战当中,有关技术方面的动向尤其值得我们关注。
日本大厂东芝旗下的东芝器件及存储在“TECHNO-FRONTIER 2023”上展出了最新一代碳化硅功率器件和氮化镓功率器件,其计划于2024年进入氮化镓功率器件市场,这也是它首款氮化镓产品的第一次展出。