碳化硅霸主地位，是否真的稳固？

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2024-03-21 03:54:51 957

碳化硅是一种优异的半导体材料，具有高热导率、高耐温性、硬度高等特点，因而在功率电子、光电子等领域得到广泛应用。受益于新能源汽车、电力电子、光伏等领域的快速发展，碳化硅产业迎来了巨大的市场机遇，产量和销售额都呈现出快速增长的态势。随着下游应用市场的强劲需求，碳化硅产业正处于高速成长期。而碳化硅的地位真有我们想象中那么稳固吗？

来源：中国电科

氮化镓：与“碳化硅”正面刚？

有行业人士认为，未来，不排除氮化镓能与碳化硅正面“刚”的可能，特别是汽车领域。

在*‘双碳’政策的支持下，近年来氮化镓在功率电子领域也开始从消费电子电源不断向数据中心、光伏/储能、新能源汽车等附加值领域加速渗透，未来这些市场有望成为GaN产品规模扩张的主要动力。

2018年，氮化镓快充进入中国市场之后，充电器的发展犹如坐上飞天火箭，功率越来越大，从*初的的5W到现在的超百瓦。在移动充电充电器潜伏很久的氮化镓，在电动车飞速发展的时代，迎来新机遇。

3月2日，英飞凌以8.3亿美元的价格收购GaN功率半导体厂商 GaN Systems。这一举动的背后是英飞凌看好氮化镓市场的发展，尤其到2030年，氮化镓的全球使用量将会大大超过碳化硅，并且在多个领域取代碳化硅的应用。

在汽车领域，GaN主要应用于48V系统的功率电子、车载充电机和DC/DC转换器，将来可以扩展到逆变器。

氮化镓器件用于新能源汽车的车载充电器、DC/DC转换器等领域时，可在节能70%的同时使充电效率达到98%，增加5%续航，目前已有丰田、宝马等多家汽车厂商入局氮化镓领域。

而从总的应用趋势来看，目前，80V-650V区域是GaN的天下，整个市场规模约为70亿美元，手机、笔记本电源适配器、家电是主要应用领域；1200V-6500V的高压部分更适合碳化硅(SiC)，整体市场规模达到了93亿美元，电动汽车、新能源、轨道交通、电网等是其核心市场；而在两者之间则是GaN和SiC可以共存的市场，主要包括数据中心、电动车等，市场规模达到了61亿美元。

高达220亿美元的第三代半导体市场图片来源：Navitas

所以，这样看来，GaN与SiC的竞争主要集中在650V及以上的领域。那为何说GaN有硬刚SiC的可能？一方面，GaN在大功率汽车应用上确实存在局限性，但在600V以下的器件是*，随着汽车制造商在信息娱乐、快速通信、激光雷达等汽车智能化设备的需求增加，对48V系统的兴趣越来越大，GaN具有成本竞争力；另一方面，在制作成本上，碳化硅器件制造成本较高，与之相比，GaN可在较*的硅衬底上生长，同时氮化镓在高频应用上具备优势，可以在确保产品性能的同时实现产品的轻量化、小型化，这是整车厂*为关心的。

氮化铝：悄悄上位？

氮化铝材料在半导体领域一直备受关注。据日经新闻网消息，日本名古屋大学的研究团队研发出新型氮化铝功率半导体，可大幅降低电力损耗。该研究团队在氮化铝基板上用不同于原来的做法制造了2种氮化铝半导体，结果显示电子流动顺畅，分析性能发现，其可将电力损失降至碳化硅及氮化镓半导体的八分之一。

氮化铝材质的pn结二极管

氮化铝作为第三代半导体材料的代表，在室温下的禁带宽度为6.2eV左右，在物理性能方面，AlN比SiC和GaN具有更小的损耗和更高的耐压，因此可以形成高压高效的电源电路。由于带隙大，介电击穿电场强度也高。如果能制造出功率器件，理论上功率损耗可以降低到SiC或GaN的一半以下。

实际上，氮化铝在半导体领域的潜力一直在被挖掘。

2022年，日本公司NTT使用AlN成功实现晶体管操作，据说这是全球*成功实现将其用作功率半导体所需的晶体管操作；2023年，日本京都大学的一个研究小组证实了氮化铝p型导电控制的可能性，氮化铝是超宽带隙半导体的主要候选材料之一。

近年来，至少有六种基于AlN的晶体管被证明，但这些晶体管都不是垂直器件，也没有一种具有与市售GaN或SiC晶体管竞争的特性。

在名古屋论文的合著者，写道利用分布式极化掺杂技术来展示具有商业竞争力的功率晶体管是可能的。基于AlN的垂直异质结双极晶体管由两个p-n结组成，具有*的功率和面积效率，是我们的目标器件。

氮化铝优势确实比GaN和SiC大，但是AlN晶体生产成本高、尺寸小是导致AlN器件在商业化应用上受到极大的限制。

可见，AlN想上位，还需要时间。

除了以上提到的材料，石墨烯、金刚石等新型材料也取得了显著的成绩，在某些性能上甚至超过碳化硅。在未来，碳化硅也面临着来自更经济、更易于加工的材料的竞争。

参考来源：
PSD功率系统设计：竞争|GaN 卷上了 SiC?
中国科学院半导体研究所：GaN和SiC，是共存还是替代?
半导体行业观察：第三代半导体技术，迎来劲敌
电子新材料：2023年氮化铝领域全球十个重要进展盘点
宽禁带半导体技术创新联盟：“后起之秀”氮化镓未来几大新的增长点

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