第三代半导体材料双雄面临直接竞争

进入21世纪以来，随着摩尔定律的失效大限日益临近，寻找半导体硅材料替代品的任务变得非常紧迫。在多位选手轮番登场后，有两位脱颖而出，它们就是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)——并称为第三代半导体材料的双雄。
SiC早在1842年就被发现了，但直到1955年，才有生长高品质碳化硅的方法出现;到了1987年，商业化生产的SiC进入市场;进入21世纪后，SiC的商业应用才算全面铺开。相对于Si，SiC的优点很多：有10倍的电场强度，高3倍的热导率，宽3倍禁带宽度，高一倍的饱和漂移速度。因为这些特点，用SiC制作的器件可以用于极端的环境条件下。微波及高频和短波长器件是目前已经成熟的应用市场。42GHz频率的SiC MESFET，用在了军用相控阵雷达、通信广播系统中，用SiC做为衬底的高亮度蓝光LED则是全彩色大面积显示屏的关键器件。
现在，SiC材料正在大举进入功率半导体领域。一些知名的半导体器件厂商，如ROHM，英飞凌，Cree，飞兆等都在开发自己的SiC功率器件。英飞凌公司在今年推出了第五代SiC肖特基势垒二极管，其结合了第三代产品的低容性电荷(Qc)值与第二代产品的正向电压(Vf)水平相结合，使PFC电路达到最高效率水平，击穿电压则达到了650V。飞兆半导体发布了SiC BJT，其实现了1200V的耐压，传到和开关损耗相对于传统的Si器件降低了30～50%，从而能够在相同尺寸的系统中实现高达40%的输出功率提升。ROHM公司则推出了1200V的第二代SiC制MOSFET产品，其实现了SiC-SBD与SiC-MOSFET的一体化封装，比Si-IGBT相比，工作损耗降低了70%，并可达到50kHz以上的开关频率。值得一提的是，IGBT的驱动比较复杂，如果使用SiC基的MOSFET，则能使系统开发的难度大为降低。SiC的市场颇为被看好，根据预测，到2022年，其市场规模将达到40亿美元，年平均复合增长率可达到45%。
说完了SiC，再来说说GaN。在上世纪90年代以前，因为缺乏合适的单晶沉底材料，而且位错密度比较大，其发展缓慢，但进入90年代以后，其发展迅速，年均增长率达30%，已经成为大功率LED的关键性材料。同SiC一样，GaN也开始进军功率器件市场。虽然，2012年的GaN市场上，IR和EPC公司是仅有的两家器件供应商，但是到明年，可能会有多家公司推出自己的产品。如果这些厂家在2014年扩充产能，在2015年推出600V耐压的GaN功率器件，整个市场的发展空间将得到极大地扩充。
GaN的起步较SiC为早，但是SiC的发展势头更快。在早期，两者因应用领域不同，直接竞争的机会并不大。但随着功率半导体市场向两者打开，面对面竞争就不可避免了。工业、新能源领域已经成为两者的战场，而在汽车领域，因为价格原因，厂商虽愿意采用传统的Si器件。不过，随着GaN和SiC的快速发展，成本越来越接近Si器件，大规模登陆这个市场的时间应该不远了。
现在，Si晶圆的主流尺寸已经达到300mm(12英寸)，但是SiC和GaN只能做到150mm(6英寸)，这个差别的弥补还是需要一段时间的。但是对于半导体业界，投资者和大众来说，出现了能挑战传统势力的新贵，还是非常有意义的。在持续的关注和投入下，这两者肯定能开出绚烂的花朵。