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第三代半导体材料双雄并立难分高下

发布时间:2020-06-30 17:53:14 阅读: 来源:成型模厂家

进入21世纪以来,随着摩尔定律的失效大限日益临近,寻找半导体硅材料替代品的任务变得非常紧迫。在多位选手轮番登场后,有两位脱颖而出,它们就是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)——并称为第三代半导体材料的双雄。

本文引用地址:早在1842年就被发现了,但直到1955年,才有生长高品质碳化硅的方法出现;到了1987年,商业化生产的SiC进入市场;进入21世纪后,SiC的商业应用才算全面铺开。相对于Si,SiC的优点很多:有10倍的电场强度,高3倍的热导率,宽3倍禁带宽度,高一倍的饱和漂移速度。因为这些特点,用SiC制作的器件可以用于极端的环境条件下。微波及高频和短波长器件是目前已经成熟的应用市场。42GHz频率的SiC MESFET,用在了军用相控阵雷达、通信广播系统中,用SiC做为衬底的高亮度蓝光LED则是全彩色大面积显示屏的关键器件。

现在,SiC材料正在大举进入功率半导体领域。一些知名的半导体器件厂商,如ROHM,英飞凌,Cree,飞兆等都在开发自己的SiC功率器件。英飞凌公司在今年推出了第五代SiC肖特基势垒二极管,其结合了第三代产品的低容性电荷(Qc)值与第二代产品的正向电压(Vf)水平相结合,使PFC电路达到最高效率水平,击穿电压则达到了650V。飞兆半导体发布了SiC BJT,其实现了1200V的耐压,传到和开关损耗相对于传统的Si器件降低了30~50%,从而能够在相同尺寸的系统中实现高达40%的输出功率提升。ROHM公司则推出了1200V的第二代SiC制MOSFET产品,其实现了SiC-SBD与SiC-MOSFET的一体化封装,比Si-IGBT相比,工作损耗降低了70%,并可达到50kHz以上的开关频率。值得一提的是,IGBT的驱动比较复杂,如果使用SiC基的MOSFET,则能使系统开发的难度大为降低。SiC的市场颇为被看好,根据预测,到2022年,其市场规模将达到40亿美元,年平均复合增长率可达到45%。

说完了SiC,再来说说GaN。在上世纪90年代以前,因为缺乏合适的单晶沉底材料,而且位错密度比较大,其发展缓慢,但进入90年代以后,其发展迅速,年均增长率达30%,已经成为大功率LED的关键性材料。同SiC一样,GaN也开始进军功率器件市场。虽然,2012年的GaN市场上,IR和EPC公司是仅有的两家器件供应商,但是到明年,可能会有多家公司推出自己的产品。如果这些厂家在2014年扩充产能,在2015年推出600V耐压的GaN功率器件,整个市场的发展空间将得到极大地扩充。

GaN的起步较SiC为早,但是SiC的发展势头更快。在早期,两者因应用领域不同,直接竞争的机会并不大。但随着功率半导体市场向两者打开,面对面竞争就不可避免了。工业、新能源领域已经成为两者的战场,而在汽车领域,因为价格原因,厂商虽愿意采用传统的Si器件。不过,随着GaN和SiC的快速发展,成本越来越接近Si器件,大规模登陆这个市场的时间应该不远了。

现在,Si晶圆的主流尺寸已经达到300mm(12英寸),但是SiC和GaN只能做到150mm(6英寸),这个差别的弥补还是需要一段时间的。但是对于半导体业界,投资者和大众来说,出现了能挑战传统势力的新贵,还是非常有意义的。在持续的关注和投入下,这两者肯定能开出绚烂的花朵。

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