碳化硅和氮化镓前景的研究
宽禁带半导体材料是第三类半导体材料，具有独特的电、光、声等特性，其制备的器件具有优异的性能，碳化硅和氮化镓就是其中的优秀者。碳化硅也叫金刚砂，具有很好的半导体属性，高频、高压和耐高温等，氮化镓材料具有宽直接带隙、强原子键和高的热导率，同时化学稳定性好，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件等方面应用前景广阔。
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近日，据研究机构数据显示，据混合动力和电动汽车、电源和光伏逆变器的需求，到2021年，新兴的碳化硅和氮化镓功率半导体市场预计将突破10亿美元。分析师表示，到2020年底，全球碳化硅和氮化镓功率半导体的销售收入将从2018年的5.71亿美元增长到8.54亿美元。预计未来十年的市场收入将以两位数的速度增长，到2029年将超过50亿美元。自2018年以来，几乎所有应用程序的需求都在放缓，此外，设备平均价格在2019年有所下降。
碳化硅MOSFET大有可为
碳化硅MOSFET寄生体二极管具有极小的反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr。如图所示，同一额定电流900V的器件，碳化硅MOSFET寄生二极管反向电荷只有同等电压规格硅基MOSFET的5%。对于桥式电路来说，这个指标非常关键，它可以减小死区时间以及体二极管的反向恢复带来的损耗和噪音，便于提高开关工作频率。
碳化硅MOSFET模块在光伏、风电、电动汽车及轨道交通等中高功率电力系统应用上具有巨大的优势，碳化硅器件的高压高频和高效率的优势，可以突破现有电动汽车电机设计上因器件性能而受到的限制，这是目前国内外电动汽车电机领域研发的重点。分析师表示，碳化硅肖特基二极管已经投放市场十多年了，近年来出现了碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管和结栅场效应晶体管。碳化硅电源模块也越来越多，包括混合碳化硅模块，包含带Si绝缘栅双极晶体管的碳化硅二极管和包含碳化硅 MOSFET的全碳化硅模块。事实证明，碳化硅 MOSFET在制造商中非常受欢迎，已经有多家公司提供了它们。有几个因素导致平均价格在2019年下降，包括推出定价与硅超结MOSFET竞争的650、700和900伏（V）SiC MOSFET，以及供应商之间的竞争加剧。
氮化镓价格优势明显
价格下降最终将促使SiC MOSFET技术更快地采用。相对于碳化硅，氮化镓是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，氮化镓具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压力下，氮化镓晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半，硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。
GaN功率晶体管和GaN系统IC才刚刚出现在市场上。GaN是一种宽带隙材料，具有与SiC相似的性能优势，但具有更高的降低成本的潜力。这些价格和性能优势是可能的因为GaN功率器件可以在比SiC便宜的硅或蓝宝石衬底上生长，所以现在可以买到GaN晶体管，但是Power Integrations，Texas Instruments和Navitas Semiconductor等公司的GaN系统集成电路的销售预计将以更快的速度增长。
到2020年底，SiC MOSFET预计将产生约3.2亿美元的收入，与肖特基二极管的收入相当。从2021年起，SiC MOSFET将以稍快的速度增长，成为最畅销的分立SiC功率器件。同时，尽管实现了良好的可靠性，价格和性能，但每个SiC JFET的收入预计都将比SiC MOSFET小得多。
“最终用户非常喜欢常关型SiC MOSFET，因此SiC JFET似乎仍将是专业的利基产品。不过，尽管供应商很少，但SiC JFET的销售预计仍将以惊人的速度增长。”分析师说道。
混合SiC功率模块，结合了Si IGBT和SIC二极管，预计在2019年将产生约7,200万美元的销售额，而完整SiC功率模块在2019年估计会产生约5,000万美元。预计整个SiC功率模块将实现到2029年，其收入将超过8.5亿美元，因为它们将首选用于混合动力和电动汽车动力总成逆变器。相比之下，混合碳化硅功率模块将主要用于光伏逆变器，不间断电源系统和其他工业应用中，其增长速度要慢得多。
2019年来发生了什么变化？
如今，SiC和GaN功率器件都有数万亿小时的器件现场经验。供应商，甚至是新进入市场的供应商，都在通过获得JEDEC和AEC-Q101认证来证明这一点。SiC和GaN器件似乎没有任何意外的可靠性问题。实际上，它们通常看起来比硅更好。SiC MOSFET和SiC JFET的工作电压较低，例如650V，800V和900V，从而使SiC可以在性能和价格上与Si超结MOSFET竞争。
内部带有GaN晶体管和GaN系统IC的最终产品正在量产，尤其是USB C型电源适配器和充电器，可为手机和笔记本电脑快速充电。同样，许多GaN器件由铸造服务提供商制造，可以在标准硅晶圆上提供内部GaN外延晶体的生长，并且随着产量的增加，可能会无限扩大产能。
尽管氮化镓和碳化硅目前的产能与销售仍是无法和碳材料相比，但是前景是被分析师和产业人士看好的，这需要一个长期的技术打磨，也需要时间验证材料的稳定性（SiC即碳化硅，GAN即氮化镓）。
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