頂點商城2021年12月24日，第三代半導(dǎo)體材料主要是指碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。早在幾年前，各半導(dǎo)體大廠就開始爭先布局第三代半導(dǎo)體材料。那么，碳化硅基器件與傳統(tǒng)硅基器件在性能上有什么差別呢？在成本和應(yīng)用上又是怎樣的？今天就來聊一聊。
以電流、電壓、頻率、溫度和效率等作為參考因素，硅基器件在低頻率下具有更好的性能優(yōu)勢。在高頻率情況下，開關(guān)的損耗就明顯增大，硅基器件的效率就開始大幅下降。碳化硅器件的核心優(yōu)勢在高電壓、高功率和高頻率應(yīng)用上，這也是碳化硅和氮化鎵最核心的應(yīng)用領(lǐng)域。這也是為什么碳化硅功率器件一般都是大型分立器件的原因。
從電壓的因素來看不同材料器件的競爭力的話，硅基器件最有競爭力的電壓范圍是15V至600V，在這個電壓范圍內(nèi)，硅基器件具有便宜、耐用、可靠和耐大電流等優(yōu)點。氮化鎵器件的優(yōu)勢電壓范圍是在100V至900V，部分電壓區(qū)間與硅基器件重疊，那就根據(jù)成本和性能自行篩選了。一旦電壓超過900V，在900V至10KV的范圍內(nèi)，那就必須選擇碳化硅器件了。這也是在說到第三代半導(dǎo)體材料時，碳化硅的出現(xiàn)頻率會高于氮化鎵的原因了，因為碳化硅器件相比氮化鎵器件具有更嚴(yán)格的不可替代性。也正是因為其耐高壓的特性，第三代半導(dǎo)體材料在高壓供電、電動汽車等領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。
據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)的技術(shù)路線預(yù)測，未來碳化硅器件的應(yīng)用將會主要集中在電力供應(yīng)、電動汽車等領(lǐng)域，太空領(lǐng)域和數(shù)據(jù)中心也會成為碳化硅器件應(yīng)用比較重要的領(lǐng)域。
雖然功率器件未來的發(fā)展方向已經(jīng)確定了是以碳化硅和氮化鎵等第三代半導(dǎo)體材料為主，但目前來，第三代半導(dǎo)體材料在應(yīng)用上還存在著一些問題，比如可靠性、技術(shù)人才儲備、成本問題等。單從襯底的制造過程來看，碳化硅材料就比碳材料要復(fù)雜得多。制造的復(fù)雜程度直接與勞動成本和時間成本掛鉤，進(jìn)而全部轉(zhuǎn)化為購買成本。據(jù)統(tǒng)計，一個碳化硅器件50%-70%的成本要花在碳化硅起始晶圓上。因此，降低第三代半導(dǎo)體材料晶圓的成本是當(dāng)務(wù)之急。
一切成本的降低，都是以技術(shù)成熟為條件的。碳化硅晶圓的發(fā)展比硅晶圓足足落后了三十年，而成本比硅晶圓高出了三倍。一個用于光伏逆變器的半導(dǎo)體器件，采用碳化硅材料的成本是硅基材料成本的三倍。
雖然單個碳化硅器件的成本很高，但是從折舊的角度來看，總成本卻比硅基器件要低。由于碳化硅器件可以在更高的功率下工作，相應(yīng)的就可以減小其他部件的用量，比如磁鐵的體積和重量，總體算下來，系統(tǒng)成本是降低的。但是，如果能夠?qū)⑻蓟杵骷某杀窘迪聛?，那么系統(tǒng)成本將會更具優(yōu)勢。
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