第三代半導體器件的機會在哪里

第三代半導體指以氮化鎵 (GaN)、碳化硅 (SiC)、氧化鋅 (ZnO) 和金剛石為代表的化合物半導體，該類半導體材料禁帶寬度大于或等于2.2eV，因此也被稱為寬禁帶 (WBG) 半導體材料。

與第一代的Si、Ge和第二代的GaAs、InP相比，GaN和SiC具有禁帶寬度大、擊穿電場強度高、電子遷移率高、熱導電率大、介電常數小和抗輻射能力強等特點，具有強大的功率處理能力、較高的開關頻率、更高的電壓驅動能力、更小的尺寸、更高的效率和更高速的散熱能力，可滿足現代電子技術對高溫高頻、高功率、高輻射等惡劣環(huán)境條件的要求。目前最流行的WBG材料是SiC和GaN，它們的帶隙分別達到3.3eV和3.4eV，屬于新興的半導體材料。

一. SiC和GaN的優(yōu)勢

相對于Si器件，SiC功率器件具有三大優(yōu)勢：

一是高壓特性。SiC器件是同等Si器件耐壓的10倍，SiC肖特基管的耐壓可達2,400V，SiC場效應管耐壓更是高達數萬伏。

二是高頻和高效特性。SiC器件的工作頻率通常是Si器件的10倍左右。在PFC電路中，SiC器件可使電路工作在300kHz以上，且效率基本保持不變，而使用硅器件的電路在≥100kHz時效率就會急劇下降。這一特性對高頻應用尤其重要，因為在高頻條件下，電感等無源器件的體積會更小，整個電路板的體積將下降約30%。

三是耐高溫以及低損耗特性。SiC器件在600℃高溫下仍可正常工作，能量損耗也只有硅器件的50%左右。

SiC是WBG材料中現階段開發(fā)最成熟的一種，不過作為一項新技術，其不足之處就是SiC目前的生產成本比較高。

作為一種經濟高效的功率器件，相較于已經發(fā)展十多年的SiC，GaN屬于后來者。面世之后，GaN就贏得了市場的關注，其中一個重要原因就是它擁有更大的成本控制潛力。硅基GaN功率器件的優(yōu)勢主要體現在高電壓運行、高開關頻率和出色的可靠性等方面，這對低于900V的應用頗具吸引力。

在電力電子領域，SiC和GaN已成為高功率、高溫應用的前沿解決方案。Yole估計，用SiC或GaN代替硅可以將DC-DC轉換效率從85%提高到95%，將AC-DC轉換效率從85%提高到90%，DC-AC轉換效率從96%優(yōu)化到99%。

當今重要的新興應用，如混合動力和電動汽車、數據中心、5G以及可再生能源發(fā)電等領域都已經開始大規(guī)模采用SiC和GaN器件，系統的能源效率得到大幅提升，體積和重量顯著下降。

根據Global Market Insights的預測，到2025年，GaN和SiC功率半導體市場將從2018年的4億美元的市值增長到30億美元以上。

二. 正確認識SiC和GaN的區(qū)別

盡管在概念層面上有相似之處，根據其運行系統內的工作參數，SiC和GaN器件之間是不可互換的。

首先，SiC器件可以承受1,200V甚至更高的電壓。而GaN器件能承受的電壓和功率密度相比SiC要低一些；另一方面，由于GaN器件的關斷時間幾乎為零 (與MOSFET硅的50V/s相比，電子遷移率高，dV/dt大于100V/s) ，因此特別適合高頻應用，且能提供前所未有的效率和性能。當然，這種特性可能會帶來其他問題：如果組件的寄生電容不接近零，就會產生幾十安培的電流尖峰，這將導致電磁兼容性測試階段出現問題。

SiC共源共柵通常具有650V和1,200V額定值，電流高達85A左右，導通電阻約為30mΩ。SiC-MOSFET在大約70A和45mΩ下電壓可達到1,700V。

GaN器件的最高電壓為650V，額定電流和導通電阻分別為60A和25mΩ，理論上能夠更快地進行切換。需要注意的是，在100V額定電壓下可用的GaN器件在導通電阻方面并不比傳統的Si-MOSFET好，成本上也沒什么優(yōu)勢。

對于未來，IHS數據清楚地表明，盡管IGBT和傳統MOSFET的銷售額將不斷增長，然而這并不會消弱SiC和GaN器件的發(fā)展勢頭，畢竟功率器件整體市場是處于快速發(fā)展階段，焦點在于這些功率器件應在特定的細分市場中找準自己的定位。圖1是功率器件未來可能的功率和工作頻率分割示意圖。

圖1：功率器件未來可能的功率和工作頻率分割示意圖 (圖源：UnitedSiC)

三. 大功率高溫電子應用中的WBG

WBG半導體的應用始于發(fā)光二極管 (LED) ，進而擴展到帶有SAW濾波器的RF器件。1992年，隨著第一個400V SiC肖特基二極管的問世，WBG半導體首次出現在電力電子領域。從那時起，WBG電力電子產品組合逐步擴展至包括1,200V SiC肖特基二極管以及整流器、JFET、MOSFET、BJT和晶閘管等。

作為行業(yè)領導者，Cree在WBG上的產品組合有MOSFET、肖特基二極管和整流器、LED等。2011年，Cree率先推出的Z-FET SiC MOSFET系列，大幅提高了功率開關應用的可靠性。STMicroelectronics的STPSC系列SiC二極管可提供600V、650V和1,200V電壓。其中，STPSC6H12是一種高性能1,200V SiC肖特基整流器，專門用于光伏逆變器。

Infineon Technologies (英飛凌) 的CoolSiC和CoolGaN系列是該公司最具標志性的SiC和GaN MOSFET器件及其驅動器。其中，FF6MR12W2M1_B11半橋模塊能夠在1,200V電壓下提供高達200A的電流，Rdson電阻僅為6mΩ，模塊還配有兩個SiC MOSFET和一個NTC溫度傳感器，主要面向UPS和電機控制應用。

onsemi (安森美) 也有類似的解決方案，即Phase Leg SiC MOSFET模塊，它利用SP6LI器件系列，電壓達到1,700V，電流大于200A。

四. 5G應用中的WBG

5G技術承諾更快的數據傳輸速率、更高的網絡帶寬以及更低的延遲。然而，這些承諾同樣帶來了挑戰(zhàn)性的需求。因此，5G無線電需要更高的效率、更好的頻譜利用率、更高的連接密度，以及在保持成本合理的同時以新的更高頻率工作的能力。此外，組件還需要更高的功率密度，以及更緊湊的尺寸。

這些挑戰(zhàn)正是WBG半導體的優(yōu)勢所在。在Massive MIMO (mMIMO) 應用中，基站收發(fā)信機上使用大量陣列天線來實現更大的無線數據流量和連接可靠性，這意味著需要更多的硬件以及更大的功率消耗。GaN的小尺寸、高效率和大功率密度等特點為實現高集成化的解決方案提供了保證。特別是，GaN在高導熱SiC襯底上的出現 (GaN-on-SiC) ，使mMIMO的部署得以實現。

在mMIMO系統設計過程中，200MHz及以上的瞬時帶寬下，如何降低功率放大器 (PA) 在其非線性區(qū)域工作時產生的失真非常關鍵。此時，高效的GaN-on-SiC器件就成為了放大器設計的最佳選擇。

Wolfspeed是GaN-on-SiC器件技術的領導者，它的高功率多芯片非對稱Doherty PA模塊 (PAM) 采用最先進的GaN-on-SiC HEMT器件和精確的非線性器件模型設計，主要用于5G mMIMO基站中。因PAM采用緊湊的表面貼裝封裝設計，所以比分立元件解決方案的尺寸要小得多。該模塊只需最少的外部組件即可構建全功能、高性能的Doherty PAM。其中，WS1A3940為針對美國C波段3.7至4.0GHz設計優(yōu)化的模塊，WS1A3640模塊的工作頻率從3.3GHz到3.8GHz，WS1A2639模塊針對工作頻率2.496 GHz至2.69 GHz的頻帶設計進行了優(yōu)化。

圖2：Wolfspeed公司針對不同市場提供4種PAM可供選擇 (圖源：Wolfspeed)

五. 新能源汽車中的WBG

GaN實現了汽車中一個非常令人興奮的應用——自動駕駛。位于車輛頂部的激光雷達系統 (LiDAR)，為車輛提供了“眼睛”的功能，它創(chuàng)建了車輛周圍360度的三維圖像。激光束傳輸得越快，LiDAR探測到的地圖或定位對象的分辨率就越高。在LiDAR系統的核心，GaN技術起著至關重要的作用，它使得整個系統具備優(yōu)越的解析度、快速的反應時間以及更高的準確性。

在LiDAR設計中常常要面對這樣一個難題：無法在用短脈沖發(fā)射激光并且同時還能維持高峰值功率。麻煩的是，這一點恰恰是確保LiDAR實現長距離、高分辨率和安全不傷眼的必要條件。歐司朗與GaN Systems聯合研制的一款極速激光驅動器解決了這個難題，該模塊的脈沖上升時間為1ns，同時分別以40A的電流驅動所有四個通道，實現了480W的峰值功率。以低占空比對最大功率進行調制后，能遠距離生成高分辨率3D云點，可用于新款LiDAR設計中。

在新能源汽車中，相比于硅器件，SiC MOSFET的性能明顯占優(yōu)，比如應用于車載充電系統和電源轉換系統，它能夠有效降低開關損耗，提高極限工作溫度，提升系統效率。根據Yole的數據，特斯拉于2017年就在Model 3中使用了SiC MOSFET，是業(yè)界第一家使用SiC功率器件的汽車制造商。當時的產品由ST提供，整個功率模塊單元由單管模塊組成，采用標準的6-switches逆變器拓撲，器件耐壓為650V。隨后英飛凌也成為了特斯拉的SiC功率半導體供應商。

安森美的650V SiC MOSFET同樣是新能源汽車市場的有力競爭者，該產品系列采用了一種新穎的有源單元設計，同時結合先進的薄晶片技術，能夠為具有650V擊穿電壓的器件提供一流的Rdson。2021年11月，安森美宣布完成對SiC生產商GTAT的收購，公司在SiC產品上的供應能力又得到了進一步增強。

新能源車中的電機控制系統、引擎控制系統、車身控制系統均需使用大量的半導體功率器件。Strategy Analytics和英飛凌的統計數據表明，傳統ICE車輛中功率器件的單車價值約為71美元，輕型混合動力汽車 (MHEV) 中功率器件的單車價值量約為90美元，高度混合動力汽車 (FHEV) 和插電式混合動力汽車 (PHEV) 中功率器件的單車價值約為305美元，電池電動汽車 (BEV) 中功率器件的單車價值將達到350美元左右。這些趨勢都是SiC和GaN發(fā)展的重大利好。

雖然汽車制造商在采用新技術方面相對保守，但隨著GaN和SiC的產品價格日趨合理，OEM和Tier 1已經開始逐步增加對這些技術的采用。目前。全球功率半導體市場前五大廠商占據了約43.2%市場份額，其中，英飛凌的市占率為19%、安森美8%、意法半導體6%、東芝5%、瑞薩5%。

六. 結語

在功率半導體領域，現在就來談論SiC和GaN能否替代硅器件可能為時尚早。但隨著新能源汽車、5G通信以及消費電子市場的興起，可以確信第三代半導體正在迎來發(fā)展的春天。根據marketwatch預測，2020年，全球SiC和GaN功率器件市場規(guī)模約為7.871億美元，預計到2027年底將達到56.436億美元，2021-2027年復合年增長率為32.5%。從眼下的市場應用來看，這個預測并不算激進，未來的形勢有可能會更好。

審核編輯：郭婷