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 碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）被稱為“寬禁帶半導體”(WBG)，在禁帶寬度上，硅是1.1eV，SiC是3.3eV，GaN是3.4eV，因此寬禁帶半導體具有更高的擊穿電壓，在某些應用中可以達到1200-1700V。

寬禁帶材料的優勢和前景

寬禁帶器件具有以下優點：具有極低的電阻，與硅等效器件相比，效率可提高70%，工作溫度、熱傳導能力和功率密度也獲進一步提升。熱傳導能力的提升可以使用更簡單的封裝、顯著減少尺寸和重量；極低的關斷時間（GaN器件中接近于零），在較低的溫度下即可實現非常高的開關頻率。

傳統功率電子器件都可以用寬禁帶器件來替代，而且在諸多應用領域傳統硅器件已經達到了極限。寬禁帶技術將是未來功率電子的基礎，也為開拓新應用領域奠定基礎。

SiC和GaN的差異

硅或新型寬禁帶器件都根據不同應用所要求的功率和頻率性能占據一定市場份額。SiC器件和GaN器件盡管在概念層面有相似之處，但并非可互換，在不同系統中的使用情況并不同。

性能方面：具體而言，SiC器件可以承受更高的電壓，最高可達1200V；GaN器件的工作電壓和功率密度則低于SiC。同時，由于GaN器件的關斷時間幾乎為零（與50V/s的Si MOSFET相比，高電子遷移率使GaN的dV/dt大于100V/s），因此可在高頻段提供前所未有的效率和性能。但是這種理想的正向特性被證明也帶來不方便，如果器件的寄生電容不接近于零，就會產生幾十安培的電流尖峰，可能會在電磁兼容測試階段造成問題。

封裝方面：SiC更有優勢，由于可以采用與IGBT和MOSFET相同的TO-247和TO-220封裝，新的SiC可以實現快速替換。GaN器件則使用更輕、更小的SMD封裝，雖然可以獲得更好的效果，但必須用在新項目中。

圖 SiC的TO-220和TO-247封裝

圖 GaN的SMD封裝

成本方面：SiC器件現階段更便宜，更受歡迎，原因之一是其走在了GaN之前。成本只是在一定程度上與生產工藝相關，還與市場需求有關，這也是為什么市場上的價格會趨于平坦的原因。由于GaN襯底的生產成本較高，GaN器件通常都基于Si襯底。

瑞典林雪平大學與其孵化的SweGaN公司合作，使用一種新的晶圓生長工藝(該工藝稱為變形異質外延，可防止出現結構缺陷)，制造出SiC基GaN，同時獲得了與SiC器件相比的最大電壓和Si基GaN器件所具有的工作頻率。這項研究還強調了采用這種工藝將能夠改善熱管理能力，垂直擊穿電壓超過3kV，與目前的解決方案相比，導通狀態下的電阻小一個數量級。

應用和市場

寬禁帶器件的應用仍在小眾市場，研發人員需更好地了解如何發揮其潛力。目前最大的市場是二極管，但有望在未來5年內涌入晶體管市場。根據預測數據，電動汽車、電信和消費市場是最有可能的應用領域。

電動汽車和自駕車汽車是最有利潤的市場，寬禁帶器件將被用于逆變器、車載充電設備（OBC）和防撞系統（LiDAR），這正是因為新器件的熱特性和效率與提升蓄能器性能的需求相匹配。

在電信市場中，5G將推動寬禁帶發展，數百萬個5G基站需要更高的能效，更小的體積和更輕的重量，將顯著推動寬禁帶器件性能的提升和成本的削減。

在消費市場中，也將帶來寬禁帶器件的大量使用。得益于移動設備的不斷普及，無線電源和充電設備將是主要應用領域，從而滿足快速充電的需求。

SiC和GaN器件產品

英飛凌開發了一系列的SiC和GaN MOSFET器件及其驅動器——CoolSiC和CoolGaN系列。FF6MR12W2M1_B11半橋模塊可在1200V電壓下可提供高達200A的功率，導通電阻僅為6mΩ，該模塊配備了兩個SiC MOSFET和一個NTC溫度傳感器，適用于UPS和電機控制應用，體現效率和散熱能力。如下圖。文后原文連接可下載CoolMOS、CoolSiC和CoolGaN產品系列目錄。

圖 CoolMOS、CoolSiC和CoolGaN性能對比

圖 FF6MR12W2M1_B11

在Microsemi（2018年5月已被Microchip收購）產品中也有類似的解決方案，在Phase Leg SiC MOSFET模塊，采用了SP6LI器件系列，電壓最高可達1700V，電流大于200A；AlN襯底確保了更好的熱傳導能力，兩個SiC肖特基二極管可以提高開關頻率。

圖 Microsemi的Phase Leg SiC MOSFET

Wolfspeed的CAB450M12XM3半橋式器件能夠提供高達1200V的電壓和450A的電流，由于采用了第三代SiN襯底MOSFET，適合在175℃的連續工作模式下工作。

圖 CAB450M12XM3

在GaN領域

Gan Systems公司推出GS-065-150-1-D，是一款利用專利的Island技術的晶體管，能夠在開關頻率大于10MHz時高達650V電壓和150A電流。

Nexperia推出GAN063-650WSA，電壓650V，導通電阻60m?，采用TO-247封裝。

圖 GAN063-650WSA

Transphorm推出采用TO-247封裝的GaN器件TP90H050WSFET，工作電壓可以達到900V，典型導通電阻為50mΩ，上升和下降時間約為10nS，計劃于2020年中開始批量供貨。

圖 TP90H050WS FET

結語

寬禁帶器件的實力待挖掘，應用場景在不斷發展，廠商們也開始提供可靠的解決方案。在這個以“效率”為口號的時代，寬禁帶正給了市場一個適合的選擇，通過提供新的工具和答案來解決電源設備設計者所面臨的問題。

信息來源

本文的原作者EETimes的Davide Di Gesualdo

https://www.eetimes.eu/sic-and-gan-lets-take-stock-of-the-situation/

——重磅推薦——

【2020年半導體行業研究報告簡版合集】

資料目錄
2020年濕電子化學品行業研究報告
2020年半導體硅片行業研究報告
2020年半導體設備行業研究報告
2020年光刻膠行業研究報告
2020年CMP材料行業研究報告
2020年電子氣體行業研究報告
2020年高純濺射靶材行業研究報告
2020年封裝基板行業研究報告
2020年光纖預制棒行業研究報告
2020年LED襯底材料行業研究報告
2020年ITO靶材行業研究報告
2020年鋁硅電子封裝材料行業研究報告
2020年鍵合絲行業研究報告
2020年電子級氫氟酸行業研究報告
2020年碳化硅行業研究報告

#往期內容展示#

1 高純濺射靶材行業研究報告

2017年全球濺射靶材市場容量達132.5億美元（半導體領域占半導體晶圓制造材料市場3%左右），預計到2020年全球高純濺射靶材市場規模將超過200億美元。顯示、記錄媒體、太陽能、半導體是顯示靶材四大應用市場，面板市場最大，占市場35%，在中國這一比例超過50%。

2 CMP材料市場研究報告

CMP化學機械拋光是集成電路制造過程中實現晶圓全局均勻平坦化的關鍵工藝,用較軟的材料來進行拋光以實現高質量的表面拋光。CMP拋光材料具有技術壁壘高，客戶認證時間長的特點。全球芯片拋光液市場主要被在美國、日本、韓國企業所壟斷，占據全球90%以上的高端市場份額。

3 半導體硅片市場研究報告

硅片也稱硅晶圓，是制造半導體芯片最重要的基本材料。2018-2022年硅片的需求繼續放大，勝高統計全球晶圓廠給出的總需求指引，其復合增長率為9.7%（未統計中國新建廠）；SEMI 統計12寸硅片上半年累計漲幅20%，下半年漲價有望繼續上漲20-30%。

4 電子氣體市場研究報告

電子氣體是指用于半導體及相關電子產品生產的特種氣體，應用范圍十分廣泛，在半導體工業中應用的有110余種單元特種氣體。電子特種氣體從生產到分離提純以及運輸供應階段都存在較高的技術壁壘，市場準入條件高，全球市場主要被幾家跨國巨頭壟斷，國內企業面臨巨大的競爭壓力。

5 封裝基板市場研究報告

封裝基板已經成為封裝材料細分領域銷售占比最大的原材料，占封裝材料比重超過50%，全球市場規模接近百億美金。國內封裝基板產業升級，本土封裝基板需求將迅速提升。2016年國內封裝基板市場規模達80億元，占封裝材料比重接近30%，遠低于全球50%的占比。

6 光刻膠市場研究報告

光刻膠是利用光化學反應經曝光、顯影、刻蝕等工藝將所需要的微細圖形從掩模版轉移到待加工基襯底上的有機化合物。全球光刻膠市場規模從2010 年的55.5億美元增長至2017年的80億美元，復合增長率約為5.4%。據預測，全球光刻膠將在2022年達到100.2 億美元。

7 光纖預制棒市場研究報告

光纖預制棒是具有特定折射率剖面并用于制造光導纖維的石英玻璃棒，預制棒一般直徑為幾毫米至幾十毫米，預制棒的制作是光纖工藝中最重要的部分。光纜是光纖預制棒的最終成品，隨著通信、大數據、物聯網的發展，光纜迎來歷史性的發展機遇。2010-2017年全球光纖產量和中國光纖產量的復合增長率分別為14.42%和23.10%，中國光纖產量增速快于全球光纖產量增速。

8 濕電子化學品市場研究報告

濕電子化學品指為微電子、光電子濕法工藝(主要包括濕法刻蝕、濕法清洗)制程中使用的各種電子化工材料，作為新能源、現代通信、新一代電子信息技術、新型顯示技術的關鍵化學材料，其全球市場規模自21世紀初開始快速增長。高端市場主要集中在美、日、歐等少數大廠商手中，比如在對電子化學品純度等級要求較高的半導體和平板顯示領域，我國內資企業市場占有率僅達到25%左右。

9 半導體設備市場研究報告

半導體制造屬于重資產行業，設備投資占總投資比重高達70-80%，其中IC制造環節難度相較后端的封裝測試要高很多，相應地，設備投入相對較大，核心工藝包括光刻、刻蝕、薄膜沉積、離子注入，占總設備投資的一半以上。