⚫ 新興市場碳化矽和氮化鎵 (GaN) 功率半導體預計將在2020年達到近10億美元, 推動力來自混合動力及電動汽車, 電力和光伏 (PV) 逆變器等方面的需求.
⚫ SiC和GaN功率半導體在混合動力和電動汽車的主傳動系逆變器中的應用, 將導致2017之後複合年增長率 (CAGR) 超過35%, 在2027年達到100億美元.
⚫ 到2020年, GaN-on-silicon (Si)晶體管預期將會達到與矽金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 持平的價格, 同時也會提供相同的優越性能. 一旦達到這個基準, 2024年GaN電力市場預計將達到6億美元, 2027年攀升至17億美元以上.
IHS Markit分析
對SiC行業持續強勁增長的預期很高, 主要推動力是混合動力和電動汽車銷售的增長. 市場的滲透也在增長, 特別是在中國, 肖特基二極體, MOSFET, 結柵場效應晶體管 (JFET) 和其他SiC分立器件已經出現在量產汽車DC-DC轉換器, 車載電池充電器之中.
越來越明顯的跡象是, 傳動系主逆變器——採用SiC MOSFET, 而不是Si絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) —將在3-5年內開始出現在市場上. 由於非常多的設備用於主逆變器中, 遠遠多於在DC-DC轉換器和車載充電器中的數量, 這就會迅速增加設備需求. 也許在某個時間點, 逆變器製造商最終選擇定製全SiC功率模組, 而不選擇SiC分立器件. 整合, 控制和封裝優化是模組化裝配的主要優點.
不僅每輛車的SiC設備數量將會增加, 而且對於電池電動汽車 (BEV) 和插電式混合動力電動汽車 (PHEV) 的新增全球註冊需求也將在2017年和2027年之間增加10倍, 因為全球許多政府都鎖定目標降低空氣汙染, 同時減少依賴燃燒化石燃料的車輛. 中國, 印度, 法國, 英國和挪威都已經宣布計劃在未來數十年內禁止搭載內燃機的汽車, 代之以更清潔的車輛. 電氣化車輛的前景一般來說將會因此而變得非常好, 特別是對寬禁帶半導體而言更是如此.
SiC
與第一代半導體材料Si和第二代半導體材料GaAs相比, SiC具有更優良的物理和化學性質, 這些性質包括高熱導率, 高硬度, 耐化學腐蝕, 耐高溫, 對光波透明等. SiC材料優異的熱學特性和抗輻照特性也使其成為製備紫外光電探測器的首選材料之一. 此外, SiC基感測器能夠彌補Si基感測器在高溫, 高壓等惡劣環境下的性能缺陷, 從而擁有更廣闊的適用空間. 以SiC為代表的寬禁帶半導體功率器件是目前在電力電子領域發展最快的功率半導體器件之一.
SiC電力電子器件主要包括功率二極體和三極體 (晶體管, 開關管) . SiC功率器件可使電力電子系統的功率, 溫度, 頻率, 抗輻射能力, 效率和可靠性倍增, 帶來體積, 重量以及成本的大幅減低. SiC功率器件應用領域可以按電壓劃分:
⚫低壓應用 (600 V至1.2kV) : 高端消費領域 (如遊戲控制台, 電漿和液晶電視等) , 商業應用領域 (如筆記型電腦, 固態照明, 電子鎮流器等) 以及其他領域 (如醫療, 電信, 國防等)
⚫中壓應用 (1.2kV至1.7kV) : 電動汽車/混合電動汽車 (EV/HEV) , 太陽能光伏逆變器, 不間斷電源 (UPS) 以及工業電機驅動 (交流驅動AC Drive) 等.
⚫高壓應用 (2.5kV, 3.3kV, 4.5kV和6.5kV以上) : 風力發電, 機車牽引, 高壓/特高壓輸變電等.
GaN
GaN功率器件和其他類型的功率半導體用於功率電子領域. 基本上, 功率電子設備利用各種固態電子部件, 在從智能手機充電器到大型發電廠的任何事物中, 更有效地控制和轉換電能. 在這些固態部件中, 晶片處理開關和電源轉換功能.
對於這些應用而言, GaN是種理想的選擇. GaN基於鎵和III-V族氮化物, 是一種寬頻隙工藝, 意味著它比傳統的基於矽的器件更快, 而且能夠提供更高的擊穿電壓.
SiC器件獲得成長的最大抑制因素可能是GaN器件. 第一個符合汽車AEC-Q101規範的GaN晶體管在2017年由Transphorm發布, 而且在GaN-on-Si外延片上製造的GaN器件具有相當低的成本, 也比在SiC晶片上製造任何產品都更為容易. 由於這些原因, GaN晶體管可能會成為2020年代後期逆變器中的首選, 優於較昂貴的SiC MOSFET.
Transphorm創新的Cascode結構
近年來, 有關GaN功率器件最有趣的故事是GaN系統整合電路 (IC) 的到來, 也就是將GaN晶體管與矽柵驅動器IC或單片全GaN IC一同封裝起來. 一旦它們的性能針對行動電話和筆記本充電器和其他高容量應用得到優化, 就很可能在更廣泛的範圍內大面積普及. 相反, 商業化的GaN功率二極體發展從未真正開始, 因為它們未能提供相對於Si器件更為顯著的益處, 相關的發展已被證明太過昂貴而且不可行. SiC肖特基二極體已經很好地用於這一目標, 並且具有良好的定價路線圖.