行动与5G将驱动第三代半导体材料于功率元件采用
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不论电动交通、可再生能源和其他科技创新(例如物联网、5G、智慧制造和机器人)都需要可靠性,效率和紧凑的电源系统,从而推动了碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)的采用,以支持在小型装置能获得更低电压。但是芯片设计人员必须克服将两种半导体材料整合到电源系统中的技术和经济挑战。
硅功率电子元件已达到极限的高频和高功率应用(例如:数据中心和可再生能源的变频器),如果没有新材料,未来电动化时代,将使得现今的电力系统无法负荷,所以有效的降低功耗,对于总体电力的消耗效率至关重要。简单来说,传统的硅功率元件不再适用产业趋势,基于宽能隙半导体材料(例如SiC和GaN)的新架构更具优势。
SiC的材料特性可以使材料更薄、功耗更低、热性能更好,从而解决了功率转换效率以及外形尺寸方面的挑战。 GaN则是用在高电子迁移率电晶体(HEMT)中,可用于高频应用。
不过,如何降低成本,将成为其未来到底何时能够扮演关键性角色的重点因素。对于SiC,如何降低基板成本是关键,目前可以透过一种晶圆键合降低成本的方法。对于GaN,外延技术(在衬底上生长或沉积单晶膜的方法)是关键参数。当然,良率对成本效益也有很大的影响,这意味着良好的过程控制(包括计量)非常重要。
在看好宽能隙半导体材料的未来之下,所有大型功率器件制造商都已经收购或开发了SiC和/或GaN功率器件技术,因此,在功率器件市场,宽能隙半导体将非常具有前景。根据预估2025年SiC功率器件用于电动车比例将达25%。其实从2018年特斯拉在其Model 3车辆中使用意法半导体(STMicroelectronics)的SiC MOSFET功率器件,就可看见这一趋势。
现在也愈来愈多厂商在生产端增加量产,例如:Rohm于2021年1月宣布将在日本筑后市的Apollo工厂兴建新SiC功率器件生,预计于2022年开始进入量产。
不过,许多研究机构或厂商正在探索用于功率器件的新材料,例如:金刚石和氧化镓。对于SiC来说,其趋势正在朝8英吋基板发展,这是意法半导体在欧盟资助的REACTION专案下,将成为发展重点。毕竟,成本降低和基板可用性对于SiC的市场规模扮演重要角色。所有主要的功率器件制造商都签订了确保SiC基板供应链的合约,因为此时材料的可用性是主要的不确定因素。