第三代半導(dǎo)體材料雙雄并立，難分高下

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著摩爾定律的失效大限日益臨近，尋找半導(dǎo)體硅材料替代品的任務(wù)變得非常緊迫。在多位選手輪番登場后，有兩位脫穎而出，它們就是氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)——并稱為第三代半導(dǎo)體材料的雙雄。

SiC早在1842年就被發(fā)現(xiàn)了，但直到1955年，才有生長高品質(zhì)碳化硅的方法出現(xiàn);到了1987年，商業(yè)化生產(chǎn)的SiC進(jìn)入市場;進(jìn)入21世紀(jì)后，SiC的商業(yè)應(yīng)用才算全面鋪開。相對于Si，SiC的優(yōu)點(diǎn)很多：有10倍的電場強(qiáng)度，高3倍的熱導(dǎo)率，寬3倍禁帶寬度，高一倍的飽和漂移速度。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，用SiC制作的器件可以用于極端的環(huán)境條件下。微波及高頻和短波長器件是目前已經(jīng)成熟的應(yīng)用市場。42GHz頻率的SiC MESFET，用在了軍用相控陣?yán)走_(dá)、通信廣播系統(tǒng)中，用SiC做為襯底的高亮度藍(lán)光LED則是全彩色大面積顯示屏的關(guān)鍵器件。

現(xiàn)在，SiC材料正在大舉進(jìn)入功率半導(dǎo)體領(lǐng)域。一些知名的半導(dǎo)體器件廠商，如ROHM，英飛凌，Cree，飛兆等都在開發(fā)自己的SiC功率器件。英飛凌公司在今年推出了第五代SiC肖特基勢壘二極管，其結(jié)合了第三代產(chǎn)品的低容性電荷(Qc)值與第二代產(chǎn)品的正向電壓(Vf)水平相結(jié)合，使PFC電路達(dá)到最高效率水平，擊穿電壓則達(dá)到了650V。飛兆半導(dǎo)體發(fā)布了SiC BJT，其實(shí)現(xiàn)了1200V的耐壓，傳到和開關(guān)損耗相對于傳統(tǒng)的Si器件降低了30～50%，從而能夠在相同尺寸的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高達(dá)40%的輸出功率提升。ROHM公司則推出了1200V的第二代SiC制MOSFET產(chǎn)品，其實(shí)現(xiàn)了SiC-SBD與SiC-MOSFET的一體化封裝，比Si-IGBT相比，工作損耗降低了70%，并可達(dá)到50kHz以上的開關(guān)頻率。值得一提的是，IGBT的驅(qū)動比較復(fù)雜，如果使用SiC基的MOSFET，則能使系統(tǒng)開發(fā)的難度大為降低。SiC的市場頗為被看好，根據(jù)預(yù)測，到2022年，其市場規(guī)模將達(dá)到40億美元，年平均復(fù)合增長率可達(dá)到45%。

說完了SiC，再來說說GaN。在上世紀(jì)90年代以前，因?yàn)槿狈线m的單晶襯底材料，而且位錯密度比較大，其發(fā)展緩慢，但進(jìn)入90年代以后，其發(fā)展迅速，年均增長率達(dá)30%，已經(jīng)成為大功率LED的關(guān)鍵性材料。同SiC一樣，GaN也開始進(jìn)軍功率器件市場。雖然，2012年的GaN市場上，IR和EPC公司是僅有的兩家器件供應(yīng)商，但是到明年，可能會有多家公司推出自己的產(chǎn)品。如果這些廠家在2014年擴(kuò)充產(chǎn)能，在2015年推出600V耐壓的GaN功率器件，整個市場的發(fā)展空間將得到極大地擴(kuò)充。

GaN的起步較SiC為早，但是SiC的發(fā)展勢頭更快。在早期，兩者因應(yīng)用領(lǐng)域不同，直接競爭的機(jī)會并不大。但隨著功率半導(dǎo)體市場向兩者打開，短兵相接就不可避免了。工業(yè)、新能源領(lǐng)域已經(jīng)成為兩者的戰(zhàn)場，而在汽車領(lǐng)域，因?yàn)閮r格原因，廠商雖愿意采用傳統(tǒng)的Si器件。不過，隨著GaN和SiC的快速發(fā)展，成本越來越接近Si器件，大規(guī)模登陸這個市場的時間應(yīng)該不遠(yuǎn)了。

現(xiàn)在，Si晶圓的主流尺寸已經(jīng)達(dá)到300mm(12英寸)，但是SiC和GaN只能做到150mm(6英寸)，這個差別的彌補(bǔ)還是需要一段時間的。但是對于半導(dǎo)體業(yè)界，投資者和大眾來說，出現(xiàn)了能挑戰(zhàn)傳統(tǒng)勢力的新貴，還是非常有意義的。在持續(xù)的關(guān)注和投入下，這兩者肯定能開出絢爛的花朵。