前景广阔,产业变革——GaN

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1. SiC——高压器件领域的破局者

SiC是第三代半导体材料的代表。以硅而言,目前Si MOSFET 应用多在1000V以下,约在600~900V之间,若超过1000V,其芯片尺寸会很大,切换损耗、寄生电容也会上升。SiC器件相对于Si器件的优势之处在于,降低能量损耗、更易实现小型化和更耐高温。SiC功率器件的损耗是Si器件的50%左右。SiC主要用于实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻化。

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罗姆公司在本田的Clarity上搭载了SiC功率器件,Clarity是世界首次用Full SiC驱动的燃料电动车,由于具有高温下动作和低损耗等特点,可以缩小用于冷却的散热片,扩大内部空间。丰田的燃料车MIRAI可以坐4个人,本田的Clarity实现了5人座。

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2017年全球SiC功率半导体市场总额达3.99亿美元。预计到2023年市场总额将达16.44亿美元,年复合增长率26.6%。从应用来看,混合动力和纯电动汽车的增长率最高,达81.4%。从产品来看,SiC JFETs的增长率最高,达38.9%。其次为全SiC功率模块,增长率达31.7%。

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政策支持力度大幅提升,推动第三代半导体产业弯道超车。国家和各地方政府持续推出政策和产业扶持基金支持第三代半导体发展。2018年7月国内首个《第三代半导体电力电子技术路线图》正式发布,提出了中国第三代半导体电力电子技术的发展路径及产业建设。福建省更是投入500亿,成立专门的安芯基金来建设第三代半导体产业集群。

2. GaN——应用场景增多,迎来发展机遇

由于GaN的禁带宽度较大,利用GaN可以获得更大带宽、更大放大器增益、尺寸更小的半导体器件。GaN器件可以分为射频器件和电力电子器件。GaN的射频器件包括PA、MIMO等面向基站卫星、雷达市场。电力电子器件产品包括SBD、FET等面向无线充电、电源开关等市场。

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3. SiC VS GaN——各有擅长,应用驱动

3.1. 基本特性

SiC适合高压领域,GaN更适用于低压及高频领域。较大的禁带宽度使得器件的导通电阻   减小。较高的饱和迁移速度使得SiC、GaN都可以获得速度更快、体积更小的功率半导体器件。但二者一个重要的区别就是热导率,这使得在高功率应用中,SiC居统治地位。而GaN因为拥有更高的电子迁移率,能够获得更高的开关速度,在高频领域,GaN具备优势。SiC适合1200V以上的高压领域,而GaN更适用于40-1200V的高频领域。

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目前商业化SiC MOSFET的最高工作电压为1700V,工作温度为100-160℃,电流在65A以下。ROHM一直在加强满足汽车电子产品可靠性标准AEC-Q101的产品阵容,加上此次新增的产品,ROHM实施量产的SiC SBD和SiC MOSFET已达到34个机型,拥有傲人的业界领先阵容。在SiC MOSFET领域,拥有650V、1200V耐压的产品阵容,可为客户提供先进的解决方案。ROHM还推出了实现额定1700V的全SiC功率模块,新产品不仅继承了1200V耐压产品中深获好评的节能性能,还进一步提高了可靠性。

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目前商业化GaN HEMT的最高工作电压为650V,工作温度为25℃,电流在120A以下。GaN HEMT现在主要的产品有100V、600V和650V。 在2018年国际主要厂商推出的GaN 新产品中,GaN Systems的GaN E-HEMT系列产品实现了业内最高的电流等级,同时将系统的功率密度从20kW提高到了500kW。而EPC生产的GaN HEMT是其首款获得汽车AEC-Q101认证的GaN产品。其体积远小于传统的Si MOSFET,且开关速度是Si MOSFET的10-100倍。GaN Systems业内领先的氮化镓晶体管与罗姆在半导体领域内的经验及在电子元件设计及制造领域内的大量资源相结合。

 

目前商业化GaN功率放大器的最高工作频率为31GHz。在2018年MACOM、Cree等企业陆续推出GaN MMIC PA模块化功率产品,面向基站、雷达等应用市场。

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3.2. 应用场景

SiC主要应用在光伏逆变器(PV)、储能/电池充电、不间断电源(UPS)、开关电源(SMPS)、工业驱动器及医疗等市场。SiC可以用于实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻化。

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手机快速充电占据功率GaN市场的最大份额。GaN应用于充电器时可以有效缩小产品的尺寸。目前市面上的GaN充电器支持USB快充,以27W、30W和45W功率居多。领先的智能手机制造商Apple也考虑将GaN技术作为其无线充电解决方案,这有可能带来GaN功率器件市场的杀手级应用。

5G应用临近,RF GaN市场快速发展。5G主要部署的频段是用于广域覆盖的sub-6-GHz和用于机场等高密度区域的20GHz以上频带。要想满足5G对于更高数据传输速率和低延迟的要求,需要GaN技术来实现更高的目标频率。高输出功率、线性度和功耗要求也推动了基站部署的PA从LDMOS转换为GaN。另外,在5G的关键技术Massive MIMO中,基站收发信机上使用了大量的阵列天线,这种结构需要相应的射频收发单元,因此射频器件的使用数量将明显增加。利用GaN的小尺寸和功率密度高的特点可以实现高度集成化的产品解决方案,如模块化射频前端器件。

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