SiC/GaN元件掀功率半导体革命热潮

seawaterblue · 发表于 2014-10-8 09:02:48

随着全球节能环保意识抬头，半导体产业开始投入提高产品效率、降低功耗以及减少材料使用的技术开发，加上电动车、再生能源以及各种能源传输与转换系统不断要求高效率与低耗能设计，使得性能更加优异的碳化矽（SiC）与氮化镓（GaN）等高规格功率元件有了用武之地。
　　为了实现高效率的能源传输与利用，这些高性能功率元件在能源转换中扮演重要角色。传统矽基（Si-based）材料由于无法提供较低导通电阻，因而在电力传输或转换时导致大量能量损耗。SiC元件则由于具备高导热特性，加上材料具有宽能隙特性而能耐高压与承受大电流，更符合高温作业应用与高能效利用的要求，在近期持续受到热切关注。
　　相较于SiC已发展十多年了，GaN功率元件则才刚进入市场，它是一种拥有类似于SiC性能优势的宽能隙材料，但拥有更大的成本控制潜力，尤其是高功率的矽基GaN由于具有更大输出功率与更快作业频率，已被看好可取代矽元件成为下一世代的功率元件。近年来全球对于都市基础建设、新能源、节能环保等方面的政策支持，扩大对于SiC/GaN等高性能功率元件的需求，将进一步促进SiC/GaN功率元件的发展。
　　根据IHS IMS Research的报告显示，在未来十年，受到电源、太阳光电（PV）逆变器以及工业马达的需求驱动，新兴的SiC和GaN功率半导体市场将以18%的速度稳步成长，预计在2022年以前，SiC和GaN功率元件的全球销售额将从2012年的1.43亿美元大幅增加到28亿美元。

　　2010-2022年全球SiC/GaN功率半导体市场预测

　　如今，SiC已被普遍视为足以取代矽的可靠技术。大多数功率模组和电源逆变器制造商都将SiC纳入技术开发蓝图中，特别是PV逆变器可望成为SiC的最佳应用。Yole Developpement的报告并指出，尽管受到全球经济不景气影响，2012年整体电力电子市场低迷，经历约20%的负成长，但SiC仍维持38%的年成长率。目前全球约有30多家公司拥有SiC元件设计、制造与销售能力，并进行相关的SiC技术研发。
　　而随着GaN功率元件销售与产品出货量快速攀升，业界观察家均看好GaN的市场前景。Yole Developpement在最近的调查报告中指出，“GaN功率市场迈向整合，准备迎向巨大成长。”Yole分析师Philippe Rousel预计，“GaN元件市场可望在2020年达到6亿美元的规模，届时将需要制造58万片6寸晶圆。此外，GaN市场将于2016年起迅速发展，伴随电动车（EV）/油电混合车（HEV）将在2018-2019年开始采用GaN，2020年以前估计可实现80%的CAGR成长。”

　　GaN的潜在应用市场、成长率与上市时程预测

　　SiC/GaN展现高规格
　　SiC/GaN功率元件有别于矽元件，是因为这种材料拥有更好的特性，能够降低导通和切换时的能量损耗。例如，逆变器采用二极体和电晶体作为功率元件，仅采用SiC二极体材料，就能使逆变器的功率损失降低15-30%左右；而如果电晶体材料也由矽换成SiC，则功率损失可减少一半以上。
　　SiC功率元件可广泛用于节能、高频和高温三大电力电子系统，与传统的矽功率元件相较，SiC功率元件具有切断拖尾电流极小、切换速度快、损耗低与耐高温的特性。采用SiC功率元件开发电力电子变流器，能提高功率密度、缩小装置体积；提升变流器效率；提高开关频率，缩小滤波器体积；并可确保在高温环境下执行的可靠性；同时还易于实现高电压大功率的设计。随着SiC元件技术普及，电动车、油电混合车等使用高功率半导体元件的交通工具也开始导入。
　　ROHM半导体指出，SiC功率元件具有耐高压、低损耗、高速开关等传统矽材料元件所没有的优异特性。如今，对它的期待正以不可估量的态势高涨。ROHM‘以SiC为核心的功率元件’作为该公司未来50年发展策略之一，致力于SiC功率元件和模组的开发，满足新的市场需求，并已开始量产。
　　东芝半导体表示，由于消费者越来越倾向于清洁能源与环境友善型的应用，市场对于高转换效率的功率元件需求不断成长。SiC功率元件被视为下一代低损耗的主流高压功率元件。对于像伺服器电源及太阳能空调等应用，SiC功率元件提供了理想的解决方案。

　　东芝指出SiC与GaN元件可发挥优势的应用领域。