第三代半導體的特點與選型要素

第三代半導體器件在方案設計和工程師選型中越來越重要，不再是隔水觀望或錦上添花的初期時代。如果說砷化鎵（GaAs）器件在通訊和PA的應用主要在手機和通訊設備，僅對頭部通訊設備制造有關系。那么碳化硅（SiC）進入電源、快充和汽車電子的迅猛勢頭，與方案商和中小設備制造商就有重大關系。我們梳理一次第三代半導體和選型要領。

半導體材料可分為單質(zhì)半導體及化合物半導體兩類，前者如硅（Si）、鍺(Ge）等所形成的半導體，后者為砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等化合物形成。半導體在過去主要經(jīng)歷了三代變化，砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）半導體分別作為第二代和第三代半導體的代表，相比第一代半導體高頻性能、高溫性能優(yōu)異很多，制造成本更為高昂，可謂是半導體中的新貴。

第三代化合物半導體材料中，碳化硅（SiC）與方案商和中小設備終端制造商關系最大，它主要作為高功率半導體材料應用于電源，汽車以及工業(yè)電力電子，在大功率轉(zhuǎn)換應用中具有巨大的優(yōu)勢。而砷化鎵（GaAs）目前占大頭市場，是最成熟的應用市場，主要用于通訊領域，全球市場容量接近百億美元，主要受益通信射頻芯片尤其是PA升級驅(qū)動；氮化鎵（GaN）大功率、高頻性能更出色，主要應用于軍事領域，目前市場容量不到10億美元，隨著成本下降有望迎來廣泛應用。

PART01第三代半導體的特點

碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）——并稱為第三代半導體材料的雙雄。

相對于Si，SiC的優(yōu)點很多：有10倍的電場強度，高3倍的熱導率，寬3倍禁帶寬度，高1倍的飽和漂移速度。因為這些特點，用SiC制作的器件可以用于極端的環(huán)境條件下。微波及高頻和短波長器件是目前已經(jīng)成熟的應用市場。42GHz頻率的SiC MESFET用在軍用相控陣雷達、通信廣播系統(tǒng)中，用SiC作為襯底的高亮度藍光LED是全彩色大面積顯示屏的關鍵器件。

氮化鎵（GaN、Galliumnitride）是氮和鎵的化合物，此化合物結構類似纖鋅礦，硬度很高。作為時下新興的半導體工藝技術，提供超越硅的多種優(yōu)勢。與硅器件相比，GaN在電源轉(zhuǎn)換效率和功率密度上實現(xiàn)了性能的飛躍。

PART02第三代半導體選型要素

第三代半導體中，SiC 與 GaN 相比較，前者相對 GaN 發(fā)展更早一些，技術成熟度也更高一些；兩者有一個很大的區(qū)別是熱導率，這使得在高功率應用中，SiC占據(jù)統(tǒng)治地位；同時由于GaN具有更高的電子遷移率，因而能夠比SiC 或Si 具有更高的開關速度，在高頻率應用領域，GaN具備優(yōu)勢。

GaN和SiC在材料性能上各有優(yōu)劣，因此在應用領域上各有側(cè)重和互補。如GaN的高頻Baliga優(yōu)值顯著高于SiC，因此GaN的優(yōu)勢在高頻小電力領域，集中在1000V以下，例如通信基站、毫米波等。SiC的Keye優(yōu)值顯著高于GaN，因此SiC的優(yōu)勢在高溫和1200V以上的大電力領域，包括電力、高鐵、電動車、工業(yè)電機等。在中低頻、中低功率領域，GaN和SiC都可以應用，與傳統(tǒng)Si基器件競爭。

GaN的應用優(yōu)勢：體積小、高頻高功率、低能耗速度快；5G通信將是GaN射頻器件市場的主要增長驅(qū)動因素。

PART03第三代半導體適應更多應用場景

第三代半導體適應更多應用場景。硅基半導體具有耐高溫、抗輻射性能好、制作方便、穩(wěn)定性好?？煽慷雀叩忍攸c，使得99%以上集成電路都是以硅為材料制作的。但是硅基半導體不適合在高頻、高功率領域使用。2G、3G 和 4G等時代PA主要材料是 GaAs，但是進入5G時代以后，主要材料是GaN。5G的頻率較高，其跳躍式的反射特性使其傳輸距離較短。由于毫米波對于功率的要求非常高，而GaN具有體積小功率大的特性，是目前最適合5G時代的PA材料。SiC和GaN等第三代半導體將更能適應未來的應用需求。

SiC功率器件的主要應用：智能電網(wǎng)、交通、新能源汽車、光伏、風電；新能源汽車是SiC功率器件市場的主要增長驅(qū)動因素。目前SiC器件在新能源車上應用主要是功率控制單元(PCU)、逆變器，DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器等方面。iC能大大降低功率轉(zhuǎn)換中的開關損耗，因此具有更好的能源轉(zhuǎn)換效率，更容易實現(xiàn)模塊的小型化，更耐高溫。

總結：

在應用升級和市場驅(qū)動的雙重帶動下，第三代半導體產(chǎn)業(yè)將迎來發(fā)展熱潮。把握“新基建”為第三代半導體材料帶來的新機遇，快充，5G基建、新能源汽車和充電樁、特高壓及軌道交通四大關鍵領域，將會給第三代半導體帶來更大的市場空間。

審核編輯 ：李倩