中國粉體網(wǎng)訊 受惠于下游應(yīng)用市場的強(qiáng)勁需求，碳化硅產(chǎn)業(yè)正處于高速成長期。相比氮化鎵、氮化鋁、金剛石等，地位一目了然。而碳化硅的地位真有我們想象中那么穩(wěn)固嗎？
來源：中國電科
氮化鎵：與“碳化硅”正面剛？
有行業(yè)人士認(rèn)為，未來，不排除氮化鎵能與碳化硅正面“剛”的可能，特別是汽車領(lǐng)域。
在國家‘雙碳’政策的支持下，近年來氮化鎵在功率電子領(lǐng)域也開始從消費(fèi)電子電源不斷向數(shù)據(jù)中心、光伏/儲能、新能源汽車等附加值領(lǐng)域加速滲透，未來這些市場有望成為GaN產(chǎn)品規(guī)模擴(kuò)張的主要?jiǎng)恿Α?/p>
2018年，氮化鎵快充進(jìn)入中國市場之后，充電器的發(fā)展猶如坐上飛天火箭，功率越來越大，從最初的的5W到現(xiàn)在的超百瓦。在移動充電充電器潛伏很久的氮化鎵，在電動車飛速發(fā)展的時(shí)代，迎來新機(jī)遇。
3月2日，英飛凌以8.3億美元的價(jià)格收購GaN功率半導(dǎo)體廠商 GaN Systems。這一舉動的背后英飛凌看好氮化鎵市場的發(fā)展，尤其到2030年，氮化鎵的全球使用量將會大大超過碳化硅，并且在多個(gè)領(lǐng)域取代碳化硅的應(yīng)用。
在汽車領(lǐng)域，GaN主要應(yīng)用于48V系統(tǒng)的功率電子、車載充電機(jī)和DC/DC轉(zhuǎn)換器，將來可以擴(kuò)展到逆變器。
氮化鎵器件用于新能源汽車的車載充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域時(shí)，可在節(jié)能70%的同時(shí)使充電效率達(dá)到98%，增加5%續(xù)航，目前已有豐田、寶馬等多家汽車廠商入局氮化鎵領(lǐng)域。
而從總的應(yīng)用趨勢來看，目前，80V-650V區(qū)域是GaN的天下，整個(gè)市場規(guī)模約為70億美元，手機(jī)、筆記本電源適配器、家電是主要應(yīng)用領(lǐng)域；1200V-6500V的高壓部分更適合碳化硅(SiC)，整體市場規(guī)模達(dá)到了93億美元，電動汽車、新能源、軌道交通、電網(wǎng)等是其核心市場；而在兩者之間則是GaN和SiC可以共存的市場，主要包括數(shù)據(jù)中心、電動車等，市場規(guī)模達(dá)到了61億美元。
高達(dá)220億美元的第三代半導(dǎo)體市場 圖片來源：Navitas
所以，這樣看來，GaN與SiC的競爭主要集中在650V及以上的領(lǐng)域。那為何說GaN有硬剛SiC的可能？一方面，GaN在大功率汽車應(yīng)用上確實(shí)存在局限性，但在600V以下的器件是首選，隨著汽車制造商在信息娛樂、快速通信、激光雷達(dá)等汽車智能化設(shè)備的需求增加，對48V系統(tǒng)的興趣越來越大，GaN具有成本競爭力；另一方面，在制作成本上，碳化硅器件制造成本較高，與之相比，GaN可在較便宜的硅襯底上生長，同時(shí)氮化鎵在高頻應(yīng)用上具備優(yōu)勢，可以在確保產(chǎn)品性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化、小型化，這是整車廠最為關(guān)心的。
氮化鋁：悄悄上位？
氮化鋁材料在半導(dǎo)體領(lǐng)域一直備受關(guān)注。據(jù)日經(jīng)新聞網(wǎng)消息，日本名古屋大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出新型氮化鋁功率半導(dǎo)體，可大幅降低電力損耗。該研究團(tuán)隊(duì)在氮化鋁基板上用不同于原來的做法制造了2種氮化鋁半導(dǎo)體，結(jié)果顯示電子流動順暢，分析性能發(fā)現(xiàn)，其可將電力損失降至碳化硅及氮化鎵半導(dǎo)體的八分之一。
氮化鋁材質(zhì)的pn結(jié)二極管
氮化鋁作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，在室溫下的禁帶寬度為6.2eV左右，在物理性能方面，AlN比SiC和GaN具有更小的損耗和更高的耐壓，因此可以形成高壓高效的電源電路。由于帶隙大，介電擊穿電場強(qiáng)度也高。如果能制造出功率器件，理論上功率損耗可以降低到SiC或GaN的一半以下。
實(shí)際上，氮化鋁在半導(dǎo)體領(lǐng)域的潛力一直在被挖掘。
2022年，日本公司NTT使用AlN成功實(shí)現(xiàn)晶體管操作，據(jù)說這是全球首個(gè)成功實(shí)現(xiàn)將其用作功率半導(dǎo)體所需的晶體管操作；2023年，日本京都大學(xué)的一個(gè)研究小組證實(shí)了氮化鋁p型導(dǎo)電控制的可能性，氮化鋁是超寬帶隙半導(dǎo)體的主要候選材料之一。
近年來，至少有六種基于AlN的晶體管被證明，但這些晶體管都不是垂直器件，也沒有一種具有與市售GaN或SiC晶體管競爭的特性。
在名古屋論文的合著者，寫道利用分布式極化摻雜技術(shù)來展示具有商業(yè)競爭力的功率晶體管是可能的�；贏lN的垂直異質(zhì)結(jié)雙極晶體管由兩個(gè)p-n結(jié)組成，具有良好的功率和面積效率，是我們的目標(biāo)器件。
氮化鋁優(yōu)勢確實(shí)比GaN和SiC大，但是AlN晶體生產(chǎn)成本高、尺寸小是導(dǎo)致AlN器件在商業(yè)化應(yīng)用上受到極大的限制。
可見，AlN想上位，還需要時(shí)間。
除了以上提到的材料，石墨烯、金剛石等新型材料也取得了顯著的成績，在某些性能上甚至超過碳化硅。在未來，碳化硅也面臨著來自更經(jīng)濟(jì)、更易于加工的材料的競爭。
參考來源：
PSD功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)：競爭|GaN 卷上了 SiC?
中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所：GaN和SiC，是共存還是替代?
半導(dǎo)體行業(yè)觀察：第三代半導(dǎo)體技術(shù)，迎來勁敵
電子新材料：2023年氮化鋁領(lǐng)域全球十個(gè)重要進(jìn)展盤點(diǎn)
寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟 ：“后起之秀”氮化鎵未來幾大新的增長點(diǎn)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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