权力争夺战开始

几家供应商正在推出下一波功率半导体氮化镓(甘)和碳化硅(SiC)，为市场上与传统硅基器件的摊牌奠定了基础。

功率半导体是一种专门的晶体管，融合了GaN、SiC和硅等不同的竞争性技术。功率半开关在汽车、电源、太阳能和火车等高压应用中作为开关工作。该设备允许电流在“开”状态下流动，并在“关”状态下停止。它们提高了系统的效率，最大限度地减少了能量损失。

多年来，功率半市场一直由硅基器件主导，即功率场效应管而且绝缘栅双极晶体管(igbt)。两者都很成熟，价格也不贵，但也在几个方面达到了理论极限。

这就是GaN和SiC的用武之地。多年来，在市场上，GaN和SiC器件在各个细分领域与igbt和mosfet竞争。GaN和SiC都是宽带隙技术，这意味着它们比硅基器件更快、更高效。

图1:电源开关的分类。来源:英飞凌

不过，GaN和SiC器件的采用率相对较低，短期内不会取代硅器件。根据Yole Développement的数据，如今，硅基器件在整个功率半市场中占据了90%以上的市场份额。一般来说，GaN和SiC器件是昂贵的技术，面临各种挑战。

这种情况正在开始改变，因为新的GaN和SiC器件正在市场上产生更大的影响。Yole表示，以SiC为例，硅基器件的增长速度为两位数，而硅基器件的增长速度为个位数。“碳化硅动力器件市场预计将快速增长，主要受到汽车市场的推动，”约乐分析师洪林表示。“市场潜力巨大，吸引了很多玩家。我们预计未来几年的竞争将非常激烈。”

GaN目前是一个很小的市场。“当我们计算5年后的增长率时，GaN可能会比碳化硅和igbt大得多。这个市场可能会增长得非常快。”

然而，事实证明，没有一种动力semi能满足所有需求。所有技术都有一席之地。“整个市场增长非常迅速。至少在可预见的未来，每个设备都有自己的一席之地。”

尽管如此，这个市场仍在发生着一系列事件。其中包括:

• Cree、Rohm和其他公司正在增加资本支出，建设新的碳化硅晶片厂。供应商正在为电池电动汽车市场的巨大需求做准备。
• 汽车原始设备制造商正在与碳化硅设备制造商达成供应协议，以满足需求。
• 高效功率转换(EPC)， GaN功率半器件的供应商，正在对功率mosfet进行所谓的“正面攻击”。GaN正在各种系统中取得进展。
• 设备供应商看到复合半晶圆厂的需求上升。

Yole表示，总体而言，电力设备市场预计将从2018年的175亿美元增长到2024年的210亿美元以上。其中，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器件市场的规模不到1000万美元。

硅的终结?
根据北卡罗来纳州立大学的数据，全世界每小时总共产生120亿千瓦的电力。据该校介绍，全球超过80%的电力是通过电力电子系统输送的。

电力电子利用各种控制和转换系统中的电力的设备，如汽车、电机驱动器、电源、太阳能和风力涡轮机。

通常，在系统的转换过程中，电力会被浪费。例如，根据NC State的数据，一年售出的台式电脑所浪费的电力相当于17个500兆瓦的发电厂。

因此，该行业需要更高效的器件，如功率半器件和其他芯片。每个功率半轴都用“V”或电压数值表示。“VDSS中的‘V’是允许的最大工作电压，或漏源极电压规格，”EPC首席执行官Alex Lidow解释说。“‘DSS’这个术语的意思是‘漏源’和‘闸门’。”

尽管如此，还是有几款动力半篷车可供选择。在硅前沿，选择包括功率mosfet，超结功率mosfet和igbt。

功率mosfet被认为是最便宜和最受欢迎的设备，用于适配器，电源和其他产品。它们用于10到500伏的低电压应用。

超结功率mosfet是一种增强型mosfet，用于500至900伏的系统。与此同时，领先的中端功率半导体器件是IGBT，用于1200伏至6.6千伏的应用。

mosfet在较低的电压段与GaN器件竞争，而igbt和SiC在较高的电压段针锋相对。所有的设备都在600到900伏的范围内相互竞争。

无论如何，在可预见的未来，igbt和功率mosfet仍将是主流技术。英飞凌高级主管杰拉德•德博伊(Gerald Deboy)表示:“硅是一种非常成熟的技术，可以在许多方面带来更好的成本优势，包括从供应链和内部生产流程到客户端的现有设计和流程。”“这就是为什么在许多应用中，硅基电源开关将继续作为多年的首选技术。”

然而，硅基器件有一些限制，例如高传导损耗和低开关频率。传导损耗是由器件中的电阻引起的。

这就是为什么原始设备制造商对两种宽频带隙技术感兴趣的原因——gan和SiC。硅的带隙为1.1 eV。相比之下，SiC的带隙为3.3 eV, GaN为3.4 eV。

“GaN和SiC是宽带隙材料，这意味着晶体中原子的键能更高，”该公司的企业营销副总裁Steven Liu说联华电子．“与硅基器件相比，SiC和GaN具有更高的效率和更小的尺寸特征，因此在功率半导体市场上是很有前途的器件。在相同的相对电压和电流处理能力下，这些设备的尺寸可以做得更小。”

GaN和SiC功率半晶片已经出货一段时间了，但它们仍然很昂贵。“制造成本是市场增长的主要障碍，因为目前两家公司仍主要使用6英寸及以下的晶圆进行生产。一旦成本可以提高到一定的门槛，市场规模可能会爆发，”刘说。

不过，根据英飞凌的说法，所有功率半发动机都有一席之地。英飞凌有着独特的视角，因为它销售igbt、mosfet、GaN和SiC。

英飞凌的Deboy表示:“选择宽带隙器件而不是传统硅器件的标准取决于平衡特定应用的系统成本和性能要求。”“在各种应用中，基于宽带隙材料的系统已经达到了成本和性能目标的临界点。根据具体应用，GaN或SiC器件在系统层面上具有更好的成本地位，尽管GaN或SiC器件本身比硅替代品更昂贵。”

SiC是什么?
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、安森半导体、意法半导体、罗姆和东芝。

碳化硅是一种基于硅和碳的复合半导体材料。击穿场强是硅的10倍，导热系数是硅的3倍。

有两种碳化硅器件类型-碳化硅功率mosfet和二极管。SiC功率mosfet是功率开关晶体管。二极管在一个方向上传递电流，在相反的方向上阻挡电流。

SiC器件目前在150mm的晶圆厂生产，尽管200mm的晶圆厂正在研发中。在生产流程中，开发了碳化硅衬底。外延层生长在衬底上。然后它被加工成一个设备。

制造基板是最大的挑战。该公司战略营销总监卢埃林·沃恩-埃德蒙兹说:“更宽的带隙赋予了这种材料有趣的特性，比如更快的开关速度和更高的功率密度。应用材料在一篇博客中。“一个主要的挑战是衬底缺陷。基面位错和螺杆位错会产生‘致命缺陷’，必须减少这些缺陷，SiC器件才能获得商业成功所需的高产量。”

碳化硅衬底的问题意味着在繁荣周期中更高的成本和潜在的供应限制。“相对于硅技术，甚至gan -on-硅技术，成本是一个挑战。主要有两个原因——SiC衬底的成本和材料的成品率。考虑到供应紧张的情况，这些价格不太可能很快开始下降，但情况会有所改善，”SPTS Technologies总裁兼高级副总裁Kevin Crofton说心理契约．

为了解决成本问题，一些供应商正在研究200mm SiC晶圆厂。这将增加每片晶圆的芯片数量，从而降低成本。

同时，SiC mosfet是基于平面和沟槽两种结构类型。Planar采用了传统的源-门-漏结构。沟槽形成“U形”垂直闸门通道。

“在器件层面，基于平面技术的第一代和第二代碳化硅MOSFET现在已经很成熟，但扩展这些技术以降低成本和提高性能在技术上具有挑战性，”David Haynes说林的研究．“基于沟槽的碳化硅mosfet为电动汽车和混合动力电动汽车的关键应用提供了克服这一结垢障碍的潜力，但这些设备的性能和可靠性仍必须提高，以解决更广泛的汽车应用。”

在这两种情况下，供应商都在努力制造低导通电阻的好部件。这涉及到源和漏之间不必要的阻力。“我的目标是使每一代都具有更低的特定导通电阻，”John Palmour说，该公司的电源和射频技术总监克里族．“它还必须可靠。”

与此同时，基于sic的器件用于600伏特到10千伏的应用。在高端市场，一些公司销售3.3至10千伏的设备，这些设备用于电网、火车和风力发电。

SiC的大市场在600到1200伏的范围内。因此，电池电动汽车是最大的市场，其次是电源和太阳能。

多年来，电动汽车原始设备制造商在汽车的许多部件上都使用了igbt和mosfet。然后，特斯拉开始使用意法半导体的SiC功率器件，用于Model 3汽车的牵引逆变器，而不是使用igbt。牵引逆变器为电机提供牵引以推动车辆。碳化硅器件还用于电动汽车的dc - dc转换器和车载充电器。

其他原始设备制造商也在评估或使用SiC。碳化硅的性能提供了更高的效率。这样就可以让你的电池充电时间更长，或者减少电池的消耗，而电池是汽车中最昂贵的部分。”

每个电动汽车供应商都有不同的要求。“我们指的是总线电压。标准母线电压为450伏。如果你有一辆450伏的公交车，你就会使用650伏的功率晶体管。一些人也在考虑使用800或850伏的公共汽车。在那里，你将使用一个1200伏的晶体管，”Palmour说。“有些人在两者之间寻找。我们正在就650伏特、900伏特和1200伏特与人们进行讨论。”

一些原始设备制造商将使用碳化硅。其他人可能会因为成本问题而坚持使用igbt。“成本仍然是一个挑战，经过验证的硅基IGBT解决方案的竞争将在未来一段时间内成为现实，”Lam的Haynes说。“在集成功率模块(IPM)层面，SiC可以胜出。事实上，与所有硅基ipm或更小尺寸的混合ipm相比，SiC功率模块可以提供显著的成本效益。然而，在器件层面，igbt仍然比SiC mosfet便宜得多，并且具有经过验证的性能和可靠性，并且在汽车供应链中得到了确立。因此，IGBT和SiC技术很可能会共存多年。”

一位专家用SiC总结了这一情况。“如果你看看日本，他们正在制造3.3 kv SiC mosfet。他们在那里有庞大的铁路基础设施，”PowerAmerica的执行董事兼首席技术官Victor Veliadis说。PowerAmerica是一家美国制造机构，正在加速宽带隙半导体技术的发展。

“1200伏和900伏是汽车用的。这是碳化硅最大的应用。”“如果你看看碳化硅的发展方向，它的起始电压为1200伏特，这与硅的竞争力相去甚远。现在，它正在努力工作，试图在900和600伏范围内获得市场份额。

“如果你达到600伏特，看看硅做的一切，SiC可能会更有效。当电压较低时就会有障碍。由于基础设施的原因，在600伏特时，硅仍然相对高效。它很便宜。当价格达到1200美元时，用硅来做就非常昂贵了，”他说。

走向GaN
同时，GaN是一种III-V二元材料，击穿场强是硅的10倍，电子迁移率是硅的两倍。

GaN用于led、电力电子和射频。射频版GaN用于5G、雷达和其他应用。不同的是，GaN功率器件用于电源开关应用。EPC, GaN Systems, Navitas, Panasonic, Transphorm等公司销售GaN功率器件。

这些器件是在150mm晶圆上制造的。许多供应商的设备是由Episil和台积电代工厂生产的。

在EPC的GaN流中，氮化铝(AlN)薄层沉积在硅衬底上。GaN层生长在AlN层上。在GaN层上形成源极、栅极和漏极。

“从技术角度来看，GaN仍然不如SiC成熟，”Lam的Haynes说。“如果考虑GaN-on-silicon HEMT(高电子迁移率晶体管)技术，由于GaN MOCVD生长在硅上的质量，产量仍然是一个问题。在设备性能和可靠性方面仍然存在挑战。”

这还不是唯一的问题。KLA的Crofton说:“由晶圆弓引起的晶圆断裂仍然是这项技术的一个问题。”“由于担心等离子体引起的设备损坏，等离子体过程也需要非常低的能量。设备制造商正在努力使他们的反应堆对该设备足够无害。”

与此同时，在器件方面，GaN半晶圆针对不同的市场。EPC和其他公司在15至200伏的较低电压段竞争。在这些领域，GaN与功率mosfet竞争。

其他公司则在600伏、650伏和900伏的市场上竞争。这些器件与igbt、mosfet和SiC竞争。

EPC公司正在扩大其在低压GaN领域的努力。“就在大约一年前，EPC对硅mosfet进行了我所说的正面攻击——我们在48v节点上做到了，”EPC的Lidow说。“至少来自EPC的GaN不仅性能高于MOSFET，而且我们也将其定价在MOSFET的价格上。”

事实上，48v市场在汽车、数据中心和其他领域正在发生一些变化。

例如，数据中心由大量服务器组成，每台服务器都安装在一个机柜或机架中。采用机架式电源，电源分布在机架背板上。

在数据中心中，交流电压产生并馈送到服务器机架。然后将功率转换为较低的电压。有一段时间，这些架子使用12伏的电源。随着时间的推移，以12伏分配电源变得效率低下，因为这会导致数据中心服务器的功耗和损耗增加。

因此在2011年，Facebook和其他公司成立了开放计算项目(OCP)。作为其努力的一部分，OCP推动了48v电源机架配电规范，该规范效率更高，还可以降低功率。

“在过去，你会有12伏电压进入电路板。它会进入一个负载点转换器，从12伏转换到微处理器所需的电压。但它占用了大量的土地，而且效率不高，”利多说。“现在，他们正在把48伏电压带到服务器板上。在一个大的步骤中，它们一直下降到5,4或3伏。他们正在使用GaN来做到这一点。”

根据GaN Systems的一篇博客，在12伏的背板上，一些原始设备制造商使用了40伏的功率mosfet。根据该公司的说法，在48伏的电压下，原始设备制造商被迫使用100伏的mosfet，但这些效率较低。

oem还可以选择使用基于GaN器件的48伏DC-DC转换器。“它们更小、更便宜、更高效。主要的拓扑结构叫做LLC拓扑结构。这些东西很小，效率98%到99%，”利多说。

除了服务器，GaN还适用于其他48v的应用程序。“它正在进入汽车行业。不再是1千瓦的电力负荷，而是增加到6到8千瓦。所以他们会选择48v的系统。他们将采用GaN技术。”“出于类似的原因，机器人将使用48伏电压。因此，在GaN的发展过程中，不同的市场相互补充。”

与此同时，GaN在600伏特、650伏特和900伏特市场，尤其是消费者适配器市场和其他系统，正在获得吸引力。Transphorm首席运营官Primit Parkih表示:“GaN正在进入硅性能根本无法接受的领域。”随着GaN价格的下降，GaN将继续蚕食当前市场。”

对于600和650伏，GaN的目标是适配器、汽车和电源。在900伏时，GaN的目标是用于汽车、电池充电器、电源和太阳能。与碳化硅一样，GaN也试图在电动汽车上获得更多的吸引力，尤其是车载充电器和DC-to-DC转换器。

结论
显然，氮化镓和碳化硅正在蓬勃发展。这些设备给工程师们提供了一些新的和不同的选择。

但它们不会取代硅。在关键任务产品中，很难取代一种熟悉的技术。

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