GaN和SiC怎么了?

大约五年前,一些芯片制造商声称传统硅功率mosfet撞墙,促使一种新的功率晶体管技术的必要性。

当时,一些人认为两个宽禁带technologies-gallium氮化(GaN)硅和碳化硅(SiC) MOSFETs-would取代无处不在的功率MOSFET。此外,氮化镓和SiC理应对高端构成威胁,硅基绝缘栅双极晶体管(igbt)。功率mosfet和igbt是主力芯片在电力电子系统中。

硅设备相比,氮化镓和碳化硅功率芯片运行在更高的电压、频率和温度,帮助消除多达90%的电能转换的功率损耗。电子带隙宽禁带是指高电压设备,大于1 electronvolt (eV)。

事实证明,功率mosfet和igbt正在向他们的限制。但是今天,这两种技术继续主导景观应用程序从5伏特到6.5千伏。相比之下,GaN-on-silicon电力芯片发货量低于预期,由于众多的挑战。和SiC mosfet是航运,但原文如此也患有晶片成本高。

”,在国际整流器甘的推广,该公司表示,在10年内拓扑将硅用于任何低于5伏,“Stephan说,Gartner的分析师。“甘你会使用从5伏电压600伏到1000伏特。你会用碳化硅为1000伏以上。”

这个预测没有锅。“我现在没有看到这种情况的发生,”Ohr说。“我不认为你可以买今天GaN部分。他们都是在分配。但如果你去一个经销商,你可以找到原文如此。碳化硅的市场比甘快。”

总之,GaN和SiC将增长速度比硅基电力未来十年半决赛。但总的来说,GaN和SiC预计将有一个总功率半导体市场的份额只有13%,到2024年,根据Lux Research。硅功率半决赛将继续主导以87%的市场份额,到2024年,该公司表示。

不过,今天的oem厂商面临一些艰难的决定。硅功率半决赛继续工作,但oem厂商仍然想要更小、更快、更高效的设备和有充分的理由。今天的系统的功率损耗的范围从8%到15%,根据专家。

所以,问题是显而易见的。硅功率mosfet和igbt在他们最后的腿吗?将氮化镓和碳化硅电力设备最终履行承诺和取代硅?当然,技术将提供终极的性能?

的竞争者
电源元件在电力电子领域的使用。基本上,电力电子利用固态电子控制和转换成电力。与各种半导体开关设备执行转换。

完美的开关速度,就无限零开态抗性和无限的断开的抗性。不幸的是,不存在完美的开关。因此,工程师必须考虑几个因素在评估芯片,如电压、电流、开关速度、负载和温度。

今天,有几个设备可供选择。在晶体管方面,初级市场由传统功率场效应管,用于10 - 500伏的应用程序。发展1976年,功率mosfet是基于双扩散(DMOS结构)的体系结构。他们是垂直结构,这意味着电流从源顶部底部的排水。

功率场效应管是廉价而存在。在最好的情况下,氮化镓和SiC可以让一个小凹痕应用低于500伏特。在任何情况下,大的和激烈的市场现在发生在两段- 600伏和1200伏电压。在这些领域,四个基本技术竞争一些大型市场,如适配器、汽车、开关电源和太阳能逆变器。

在这部分中,有两个硅solutions-super-junction功率mosfet和igbt。Super-junction功率场效应管,使用功率mosfet的改进版,在500 - 900伏的应用程序。Super-junction功率场效应管垂直的设备。他们也包括支柱结构体内,epi地区的封闭电场。

IGBT,与此同时,是一个三端器件,结合了场效应管的特点和双极晶体管。igbt 10-kilovolt应用程序用于400伏。

然后,有两个宽禁带technologies-SiC和氮化镓。基于硅和碳,SiC的能带隙3.3 eV。硅的能带隙1.1 eV。SiC场效应晶体管是针对600伏10-kilovolt应用程序。

氮化镓,另一种技术是一个二进制III-V材料。在电力领域,GaN-on-silicon芯片用于30 - 600伏的应用程序。氮化镓的能带隙3.4 eV。

最好的技术?
igbt、碳化硅等技术是面向niche-oriented市场在1700伏特和更高。但什么是最好的技术更大的600米和1200伏特的市场?这不是一个简单的答案。“你可能会有一个共存的技术。但它也取决于电压范围的应用程序和客户愿意支付多少设备,他们是否会去硅溶液,氮化镓或原文如此,”罗兰·鲁普说,项目经理在英飞凌SiC设备,世界上最大的电力半供应商。英飞凌芯片出售基于所有technologies-MOSFETs, igbt, GaN和碳化硅。

事实上,有技术之间的权衡。例如,super-junction mosfet和igbt增加300毫米晶圆,使它们更便宜比GaN和碳化硅。相比之下,SiC mosfet增加100 mm晶圆,而GaN-on-silicon运行在150毫米基质。

此外,super-junction功率mosfet和igbt继续改善的性能代价。例如,在一些硬开关应用程序中,甘super-junction设备接近或原文如此。”IGBT对制造成本明显优于其他所有电源开关技术和最低T-dependence传导损失,”鲁普说。

但super-junction功率mosfet勃然大怒在900伏特。igbt是饱受开关的速度缓慢。“super-junction和IGBT技术都是接近他们的技术限制,”他说。“仍然有新的想法,进一步提高静态和切换损失之间的平衡和保持短路强度,但它们与性能改进是抵消了增加处理成本。新提供的300毫米晶圆处理环境等硅功率开关帮助关于这个成本方面,但可能会是最后一个重要的生产力增益为硅基电力电子未来十年。”

所以,甘有浓厚的兴趣和碳化硅。今天,碳化硅二极管用于高端服务器和电信系统的电力供应,但原文如此mosfet仍在市场渗透的早期阶段。SiC与功率mosfet相比,10倍细分领域和热导率的三倍。“忽视各种技术之间的成本差异会导致一个明确的champion-SiC场效应晶体管,”鲁普说。

但原文如此也遭受晶片成本高和低有效通道流动。为了解决一些问题,供应商希望降低成本通过移动更大的晶圆。“我们正在做生产4英寸。我们想去6英寸,”首席技术官约翰•Palmour表示对权力和射频在克里族,应用led供应商和电力设备。

SiC mosfet是垂直的设备。通道结构也在各种配置,包括海沟和平面。Trench-based SiC mosfet电导率较低比平面失去。但沟往往遭受栅氧化层故障,促使一些设计double-trench SiC mosfet。

克里族,提倡平面渠道结构。事实上,推出了第三代SiC技术方面,可以解决通道流动问题。“这是一个死萎缩,”Palmour说。“我们也减少了cost-per-amp。”

总之,SiC mosfet mosfet和igbt有一些优势,但原文如此不会很快取代硅。“igbt是不会消失,”他说。“他们将会有一段时间。”

碳化硅、氮化镓也产生蒸汽。氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)是一种横向的设备。当前流从源到表面上。以下的表面,沃甘和氮化镓层硅衬底上生长。

GaN-on-silicon快,但它也受到晶格不匹配,使其容易产生缺陷的工厂。它还存在可靠性问题和低的热导率。还有质疑GaN-on-silicon可以规模超过600伏特。

“这假定你可以买GaN部分,”Gartner的Ohr说。“我一直在说,GaN仍在发展和实验部分。但是如果你可以得到一个,你可以减少你的电容和电感的大小,会与你的电源或马达驱动。但什么是GaN部分成本吗?这支付规模较小和增量效率可以得到?”

事实上,GaN进展缓慢。Transphorm只有一个供应商,取得了进展。2013年,甘Transphorm收购了富士通的IP。当时,Transphorm还宣布了一项600伏GaN部分,基于cascode-type,常关技术。设备能源损失减少50%,而硅。

然后,今年早些时候,该公司进入大规模生产。芯片内正在铸造的基础上在日本富士通的150毫米晶圆厂。“甘Transphorm是唯一提供者已经宣布,并积极提供600伏合格产品行业,“说Primit帕里克说,Transphorm总统。

帕里克说甘也驳斥了认为将在600伏失去动力。在实验室里,Transphorm表明1800伏特的设备。“它已经爬在示威,”他说。“我们当前的重点是第一组的大规模生产和广泛的商业化产品600伏特。接着就是高电压设备900伏和1200伏。”

然而,Transphorm甘并不是唯一的供应商。事实上,十多个公司已经进入了氮化镓功率芯片争论在最近一段时间。”的原因之一,是明确的。氮化镓不仅仅是一个技术。GaN成为理想的电源转换平台的选择,”他补充道。

不太可能有十几个GaN供应商。也有太多的SiC供应商。时间会告诉我们如果市场将会看到一个洗牌。但很明显,GaN和SiC动摇景观。