SiC 和 GaN:更高效的硅替代品

几十年来,硅一直是半导体行业的霸主。然而,随着该行业似乎受到低功耗高开关器件和摩尔定律消亡的挑战,对更高效的硅替代品的需求也达到了顶峰。

在某种程度上,寻找硅的更有效替代品的这种搜索从两种化合物中得到了答案:碳化硅 (SiC)和氮化镓 (GaN)。

在过去的二十年里,这两种化合物表现出了比传统硅基金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件更优异的性能,因此成为半导体研究人员的最爱。我再说一遍,我不是这么说的,而是从行业获得的数据表明的。

  • 一方面, SiC市场规模在2022年曾达到28亿美元,预计到2032年将达到58亿美元,复合年增长率(CAGR)为7.5 %;
  • 另一方面,GaN市场规模目前为26亿美元,预计到2032年将达到166亿美元,复合年增长率为22.7%。

什么使得 SiC 和 GaN 具有独特之处?
有多种因素促成了这些化合物的独特性,但较高的带隙、较低的杂散电容和较低的栅极损耗是值得注意的因素。仅供参考,Si 的带隙为1.12 eV(电子伏特)。

SiC和GaN 的带隙分别为3.26 eV和3.4 eV,约为硅的三倍,使它们具有更广泛的p 型和n 型控制,这对于器件制造至关重要。

此外,更高的带隙意味着更高的处理电场能力,同时保持稳定性和更低的漏电流。因此,可以说,SiC 和 GaN 这两种化合物可以处理比硅高三倍的电场,同时在高温下保持稳定性,漏电流也低三倍,即使在电动汽车和航空航天应用等恶劣环境下也能提高效率。

此外,与硅(0.3 MV/cm )相比, SiC能够处理更高的击穿电场(SiC:3.0 MV/cm,GaN:3.3 MV/ cm),这使其成为电源转换器和太阳能逆变器等大功率应用的理想选择,从而扩大了其在可再生能源中的使用范围。

此外,这两种化合物都比传统 MOSFET 有显著的改进,例如,栅极电容更低,开关速度更快,栅极驱动损耗也更低。

碳化硅(SiC)
特性​

  • 热导率:SiC 能有效地将热量从半导体结传输到外部环境,从而允许在比硅器件更高的温度下运行。
  • 击穿电场强度:SiC 的击穿电场强度比硅高 10 倍,在高压条件下具有出色的性能。
  • 热膨胀:由于热膨胀低,SiC 在温度变化下仍能保持其尺寸,确保稳定性。
  • 带隙:SiC 的带隙比硅的带隙大三倍,可最大限度地减少漏电流并在高温下保持性能。
使用领域
  • 电动汽车 (EV)
  • 工业电机
  • 太阳能逆变器
  • 高频应用
  • 雷达系统
  • 导弹制导系统
涉及SiC技术的主要公司。
  • 意法半导体公司
  • 英飞凌科技股份公司
  • Wolfspeed 公司
  • 安森美半导体公司
  • 富士电机株式会社
    • 三安光电 (600703)、露笑科技 (002617)、晶盛机电 (300316)、天岳先进 (688234)
市场分析
  • 市场规模:2022 年 SiC 市场价值为28 亿美元,预计到 2032 年将达到 58 亿美元。
  • 增长率:预计2023 年至 2030 年期间SiC 市场将以 7.5 %的复合年增长率 (CAGR) 增长。

氮化镓(GaN)
特性​

  • 热导率:GaN在室温下具有合理的热导率,约为150 W / mK 。
  • 击穿电场:GaN表现出极高的击穿电场,使其成为高功率和高频应用的理想选择。
  • 带隙:GaN的带隙为3.4eV,大约是硅的三倍,可实现高效率性能。
  • 热膨胀:GaN的适中的热膨胀系数确保了在各种应用中的可靠性能。
使用领域
  • 高电子迁移率晶体管 (HEMT)
  • 电力电子
  • 激光二极管
  • 生物传感器
  • 太阳能电池
  • 场效应晶体管
  • 水分解光催化剂
  • 压电纳米发电机
涉及GaN的主要公司
  • 英飞凌科技股份公司
  • 恩智浦半导体公司
  • Nexperia 控股公司
  • 东芝电子元件及存储装置株式会社
  • 赛微电子 (300456)、华灿光电 (300323)

市场分析

  • 市场规模:GaN半导体器件市场价值26亿美元,预计将增长到166亿美元。
  • 增长率:预计2023 年至 2028 年期间GaN 功率器件市场复合年增长率为22.7% 。

SiC 与 GaN 的比较
SiC 和 GaN 都是具有巨大增长潜力的优秀技术。但它们适用于不同的应用:

  • 碳化硅(SiC) :由于其高热导率和击穿电场强度,最适合高功率应用。
  • 氮化镓 (GaN) :由于其宽带隙和高电子迁移率,非常适合雷达系统和 5G 网络等高频应用

结论​
SiC 和 GaN 在半导体生态系统中扮演着不同的角色,但这两种技术的发展并非完全独立。两者对于满足下一代的需求以及填补寻找合适且有效的硅替代品的空白都至关重要。

随着半导体向更高效率、更大功率密度和更高频率的方向发展,这些化合物有望在未来十年引领这个价值数十亿美元的市场的发展轨迹。


附录石墨烯对比:

  • 石墨烯在电子迁移率方面具有显著优势,是硅的10倍,这使得其在制造高性能电子器件方面具有巨大潜力。石墨烯功能半导体则在高性能计算、量子计算、传感器等方面展现出独特的优势
  • 而碳化硅和氮化镓作为宽禁带半导体材料,在高功率、高频、高温等应用领域表现出色,碳化硅和氮化镓主要应用于高功率和高频电子器件领域。