寬帶隙(Wide bandgap，WBG)半導體在電力電子和高頻電路領域掀起了一場風暴，取代了許多以前由矽基(Si-based)元件主導的應用，例如用于高壓直流/直流(DC/DC)轉換的絕緣閘雙極電晶體(IGBT)等。

　　尤其是在電力電子領域，有些特定應用需要以高開關頻率運作✅的功率密集解決方案，以便盡可能地降低開關損耗，這早已不是什麽秘密了。

　　從電動車(EV)中的牽引逆變器、車載充電器(OBC)和高壓DC-DC轉換器，到工業/商業應用中的不斷電供應系統(UPS)和太陽能轉換器，寬帶隙半導體爲許多下一代電子産品開辟了廣闊的市場。

　　碳化矽(SiC)基板已在電動車和一些工業應用中確立了一席之地。然而，近來氮化镓(GaN)持續浮出台面，成爲許多重疊應用的有力選擇。了解這兩種功率元件的應用、基板材料在高功率電路中的區別、技術發展及其各自的制造考慮因素，或許能爲這兩種持續普及的化合物半導體未來帶來更多啓發。

　　根據Yole Group的統計，2029年全球GaN功率市場將成長超過22.5億美元，2023年到2029年間的年複合成長率(CAGR)達到44%；SiC功率元件市場更預期將在2029年突破百億美元。過去六個月以來，包括GaN和SiC的這一寬帶隙功率半導體産業已發布超過16億美元的投資，包括並購和其他資金投入。

　　從特斯拉(Tesla)開始在其逆變器中采用SiC以來，時至今日，另一個趨勢正在重塑電動車市場，即以800V快速充電縮短電動車的充電時間。SiC由于具有良好的性能和不斷發展的供應鏈，成爲這一發展的關鍵推動力。截至2023年，包括比亞迪(BY✅D)的漢、現代(Hyundai)的Ioniq5等采用SiC的大量電動車正陸續出貨。

　　盡管2024年純電動車(BEV)成長趨緩，預計SiC整體營收仍持續成長，並于2029年達到近100億美元的市場規模。除了汽車之外，工業、能源和鐵路應用也提供了額外的成長動能。産能建設、業務整合以及新的商業模式等進展，預計將在未來數年內將SiC提升到另一個層次。

　　另一方面，消費應用則是功率GaN市場成長的主要驅動力。近來的趨勢包括充電器功率容量高達300W，以及家電電源和馬達驅動器帶來更高的效率和緊湊性。除了消費領域外，Yole預計GaN功率元件市場的另外兩個成長催化劑是汽車和資料中心應用，到2029年帶來超過20億美元的市場規模。

　　2023年，英飛✅淩以8.3億美元收購G✅aN Systems是迄今爲止該産業最大的交易，另一個重大收購案是瑞薩電子(Renesas Electronics)以3.39億美元收購Transphorm。目前，這一産業正在整合，預計還會有其他並購，並將改變以IDM業務模式爲主導的生態系統。

　　圖1：SiC和GaN自2018～2019年✅開始持續快速成長，如今已成爲功率半導體産業的關鍵領域。(來源：Yole Group)

　　相較于傳統的矽基板，寬帶隙材料本質上能夠在更高的開關頻率和更高的電場下運作。當半導✅體受熱時，由于熱激發載流子在高溫下更爲豐富而導通，其電阻往往隨之下降。更寬帶隙的半導體需要更高的溫度(更多的能量)來激發電子從價帶(valence band)跨越能隙到導帶(conduction band)。這將直接帶來更強大的功率處理能力和更高的元件效率。

　　從表1中可以看出，SiC和GaN的擊穿電場、電子遷移率、飽和速度和熱導率都遠高于Si——所有這些因素都能提高開關頻率和功率密度。但是，高開關頻率會導致更多的損耗和更低的場效電晶體(FET)效率，因此最佳化功率元件的品質因數(FoM)，即Rds(on) ×Q g，或最佳化通道電阻和閘極電荷以降低傳導損耗和開關損耗至關重要。

　　一般來說，GaN FET的最高電壓約爲650V，應用功率約爲10kW，而750V和1200V SiC FET也並不罕見，應用功率從1kW到數百萬瓦不等(如圖2)。SiC具有出色的導熱性，因此可以用更小的封裝實現類似的額定功率。然而，GaN元件的開關速度更快(注：其電子遷移率明顯更高)，這相應地又將轉化爲更高的dv/dt，從而可能實現更高的轉換器效率。

　　自從特斯拉宣布在其Model 3車型中使用全SiC功率模組後，這個電力電子領域的寵兒——SiC即獲得了巨大的關注。2018年，特斯拉在其推出的Model 3中率先采用ST的SiC元件。根據System Plus Consulting的拆解報告顯示，該功率模組中包含ST的SiC MOSFET (圖3)。這顯示SiC功率元件非常適合用于電動車電源設計。除了牽引逆變器，它還可用于車載充電器和DC/DC轉換器。

　　自2010年科銳(Cree；後更名Wolfspeed)將SiC MOSFET商業化以來，SiC的需求穩步上升，業界主要的參與廠商更利用《芯片法案》(CHIPS Act)提供的稅收減免來擴大業務，降低每片晶圓的成本。爲了滿足汽車領域等終端應用需求，ST、安森美、英飛淩、Wolfspeed和ROHM等領先廠商都致力于在不同地點建造設施，並宣布未來幾年的産能擴張計劃。

　　例如，Wolfspeed的MHV晶圓廠自2022年開業以來一直在持續擴大産能，最近並在其新的生産設施John Palmour制造中心投資總計50億美元，用于開發200mm (約8吋)晶圓。

　　然而，事情並非如此簡單：爲了在SiC制造領域站穩腳跟，就必須擁有專門用于SiC的昂貴設備。SiC晶圓的生長溫度超過2700℃，生長速度至少比Si慢200倍，這就需要大量的能量。另一方面，GaN在很大程度上可以使用與Si半導體制程相同的設備，GaN外延晶圓還可以在各自的基板(通常是Si、SiC或藍寶石)上生長，溫度爲1000至1200℃，還不到SiC的一半。此外，SiC晶圓也比Si晶圓薄近50% (達500μm)，因此材料相當脆，容易裂開和碎裂——這也是需要專用制程設備的另一個原因。

　　根據Wolfspeed執行長Gregg Lowe表示，2018年6吋SiC晶圓的成本約爲3,000美元，而6年後的2024年，7吋晶圓的成本已經降到約850美元。而且，隨著SiC功率元件的不斷成熟，每個晶圓的成本還將繼續下降。成本最佳化的一個重大飛躍是擴大晶圓尺寸，以及增加每個晶圓的元件數量。對于矽基GaN (GaN-on-Si)來說，這一點相對簡單，直徑較大的晶圓廠每周可生産數千片8吋晶✅圓，並透過CMOS制程控制實現出色的産線%)。

　　然而，類似的規模經濟也可應用于SiC晶圓生産，因爲現在的公司都在朝向8吋晶圓邁進，而就在十年前，150mm (約6吋)晶圓的大規模生産還只是剛剛開始。雖然SiC元件本身可能比Si和GaN元件昂貴，但事實上，爲了保持相同性能，所需的功率元件要少得多。在系統層面上，這意味著減少了閘極驅動器、磁性元件和其他周邊元件等，這些元件原本可能會用于矽基設計中。

　　由于具有出色的高頻特性，GaN與砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)等其他化合半導體一樣，已成爲適用于單晶微波積體電路(MMIC)和混合微波電路等高頻電路的III-V族半導體。GaN尤其適用于發射訊號鏈中的高功率放大器。目前，許多GaN代工服務通常使用GaN-on-SiC處理高頻應用，不過，最近也有許多代工廠將重點轉向利用GaN-on-Si實現射頻(RF)和電源應用。

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