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第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化之路已經(jīng)走了好多年，受困于技術(shù)和成本等因素，市場(chǎng)一直不溫不火。 但今年的市場(chǎng)形勢(shì)明顯不同，各大半導(dǎo)體元器件企業(yè)紛紛加大了新產(chǎn)品的推廣力度，第三代半導(dǎo)體也開(kāi)始頻繁出現(xiàn)在各地園區(qū)招商引資名單中。 問(wèn)題來(lái)了：第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是真的進(jìn)入春天還是虛火上升？又有哪些行業(yè)真的需要GaN或SiC功率器件呢？相對(duì)于IGBT、MOSFET和超級(jí)結(jié)MOSFET，GaN和SiC到底能為電子行業(yè)帶來(lái)哪些技術(shù)變革？ 為了回答這些問(wèn)題，小編認(rèn)真閱讀了多個(gè)面向應(yīng)用的市場(chǎng)分析報(bào)告和白皮書(shū)，下面我們就試著回答一下上面那些問(wèn)題。 什么是第三代半導(dǎo)體？ 首先，我們有必要說(shuō)一下第三代半導(dǎo)體的來(lái)由。 第一代半導(dǎo)體材料是以硅（Si）和鍺（Ge）為代表，我們目前的大多數(shù)芯片都是硅基器件。第二代半導(dǎo)體材料主要以砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）為代表，在4G移動(dòng)通信設(shè)備和高端示波器中能看到它們的身影。以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）、金剛石為代表的化合物屬于第三代半導(dǎo)體材料。 從理論上說(shuō)，第三代半導(dǎo)體應(yīng)該叫寬禁帶（Wide Band-Gap，WBG）半導(dǎo)體。這里提到的禁帶寬度對(duì)電子元器件的性能影響很大。我們耳熟能詳?shù)墓璨牧系慕麕挾葹?.12電子伏特(eV)，WBG半導(dǎo)體材料的禁帶寬度則達(dá)到了2.3eV及以上。高禁帶寬度帶來(lái)的好處是，器件能夠耐高壓、耐高溫，并且功率大、抗輻射、導(dǎo)電性能強(qiáng)、工作速度快、工作損耗低。 哪些行業(yè)“渴望”第三代半導(dǎo)體？ 接下來(lái)，咱們就討論一下到底哪些行業(yè)亟需第三代半導(dǎo)體器件來(lái)“拯救”。 市場(chǎng)上正在使用的第三代半導(dǎo)體材料主要有兩種，即GaN和SiC。根據(jù)材料本身的特性，GaN比較適合中低壓（600V左右）、高頻等應(yīng)用，而SiC比硅更薄、更輕、更小巧，市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域更偏向1000V以上的中高壓范圍。在千瓦級(jí)應(yīng)用中，SiC和GaN共用的電壓范圍只能到600V，在這個(gè)電壓范圍內(nèi)，GaN應(yīng)該比SiC更便宜一些。綜合來(lái)看，SiC和GaN材料將在電力電子、新能源汽車(chē)、數(shù)據(jù)中心、充電樁、5G等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，并為行業(yè)面向未來(lái)的高性能應(yīng)用提供助力。 
圖1：SiC、GaN、IGBT、超結(jié)MOSFET均有各自的市場(chǎng)定位（圖源：網(wǎng)絡(luò)） 1. 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 根據(jù)美國(guó)能源局公布的數(shù)據(jù)，在所有行業(yè)中，電機(jī)系統(tǒng)消耗的電力約占美國(guó)總電力需求的40%。為此，一些電機(jī)系統(tǒng)開(kāi)始使用變頻驅(qū)動(dòng)器（VFD）來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整電機(jī)速度，以滿足功率要求并節(jié)省能源。據(jù)估計(jì)，目前安裝的電機(jī)中有40-60%將受益于VFD。根據(jù)應(yīng)用的不同，加入VFD后可以減少10-30%的能耗。不過(guò)，傳統(tǒng)的VFD體積太過(guò)龐大，占用大量空間。基于SiC的VFD可以提高系統(tǒng)的體積、功率密度和效率，降低系統(tǒng)的整體成本。這應(yīng)該算是當(dāng)前最急迫的需求之一。 2. 新能源汽車(chē) 牽引逆變器、直流升壓變換器和車(chē)載電池充電器是混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)（HEV/EV）的關(guān)鍵元件。硅基逆變器的開(kāi)關(guān)和其他損耗，以及自身的重量間接地影響了車(chē)輛的能源效率。SiC逆變器可以通過(guò)在更高的開(kāi)關(guān)頻率、效率和溫度下工作來(lái)降低直接和間接損耗。采用SiC牽引逆變器的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)，預(yù)計(jì)其能效能提高15%。在電動(dòng)汽車(chē)全球頂級(jí)賽事“Formula E”中，Rohm公司為VENTURI車(chē)隊(duì)提供的采用全SiC功率模塊制造的逆變器，其尺寸下降了43%，重量減輕了6kg。根據(jù)DIGITIMES Research給出的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)：到2025年，電動(dòng)汽車(chē)用SiC功率半導(dǎo)體仍將繼續(xù)走高，約占SiC功率半導(dǎo)體總市場(chǎng)的37%以上，高于2021年的25%。 3. 分布式能源 全球1%的電力來(lái)自太陽(yáng)能，預(yù)計(jì)未來(lái)10-15年將達(dá)到15%。在太陽(yáng)能光伏、風(fēng)能等電網(wǎng)應(yīng)用中，硅基光伏逆變器的典型最大轉(zhuǎn)換效率約為96%。基于SiC的逆變器通過(guò)在更高的開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行，可減小無(wú)源元件的尺寸以及系統(tǒng)總體占用空間，提高能源效率，降低系統(tǒng)級(jí)成本。 4. 5G GaN材料因電子飽和漂移速率最高，非常適合高頻率應(yīng)用，而5G射頻（RF）前端無(wú)疑是目前GaN最好的應(yīng)用場(chǎng)景。現(xiàn)在，GaN已經(jīng)成為5G應(yīng)用的關(guān)鍵材料。據(jù)Yole估計(jì)，大多數(shù)低于6GHz的宏網(wǎng)絡(luò)單元將使用GaN器件，到2023年，GaN RF器件市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到13億美元。在剛剛結(jié)束的2020中國(guó)移動(dòng)全球合作伙伴大會(huì)上，中國(guó)移動(dòng)董事長(zhǎng)楊杰透露，中國(guó)移動(dòng)已經(jīng)開(kāi)通5G基站38.5萬(wàn)個(gè)，為所有地級(jí)市和部分重要縣城提供5G SA服務(wù)。可以說(shuō)，5G為GaN的發(fā)展提供了重要機(jī)遇。隨著成本的下降，接下來(lái)GaN有望在中低功率領(lǐng)域替代二極管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件。 5. 數(shù)據(jù)中心 眾所周知，數(shù)據(jù)中心是能源消耗大戶，提高能源效率迫在眉睫。基于WBG器件的高功率密度轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)更高效系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，因?yàn)楦叩臏囟饶褪苄钥梢詼p少冷卻負(fù)載，并進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)中心網(wǎng)格到芯片的效率。 6. 消費(fèi)電子 消費(fèi)電子產(chǎn)品如筆記本電腦、智能手機(jī)和平板電腦的電源轉(zhuǎn)換器雖然看起來(lái)體積不大，但同樣也是能源消耗大戶。以快充充電器為例，這兩年有一個(gè)最突出的變化，那就是GaN技術(shù)的應(yīng)用。GaN充電器不僅功率大，充電快，體積還小很多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2018年以來(lái)，三星、Oppo、小米和Verizon等知名品牌，已經(jīng)向市場(chǎng)提供了數(shù)百萬(wàn)個(gè)GaN快速充電器。 雖然學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界早就認(rèn)識(shí)到SiC和GaN的材料優(yōu)勢(shì)，但由于制造設(shè)備、制造工藝與成本等方面的限制，多年來(lái)只能在有限的范圍內(nèi)得到應(yīng)用，市場(chǎng)也是不溫不火。隨著 5G、新能源汽車(chē)等新興市場(chǎng)的出現(xiàn)，SiC和GaN 的不可替代性優(yōu)勢(shì)得到了充分發(fā)揮。 ● 在600V應(yīng)用市場(chǎng)，Si VDMOS、IGBT、GaN FET、SiC MOSFET多種技術(shù)同臺(tái)競(jìng)技的業(yè)態(tài)正在出現(xiàn)。 ● 在高壓、大功率應(yīng)用中，SiC器件開(kāi)始加快商業(yè)化進(jìn)程。 ● 在5G、快充等市場(chǎng)，GaN已經(jīng)迎來(lái)了發(fā)展的春天。 隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，需求拉動(dòng)疊加成本降低，SiC和GaN的時(shí)代即將到來(lái)。 文章來(lái)源：貿(mào)澤電子 作者：Doctor M |
