第三代半導體受追捧,是虛火還是真需求?

2020-12-08 電子工程專輯
第三代半導體產業化之路已經走了好多年，受困於技術和成本等因素，市場一直不溫不火。

但今年的市場形勢明顯不同，各大半導體元器件企業紛紛加大了新產品的推廣力度，第三代半導體也開始頻繁出現在各地園區招商引資名單中。

問題來了：第三代半導體產業是真的進入春天還是虛火上升？又有哪些行業真的需要GaN或SiC功率器件呢？相對於IGBT、MOSFET和超級結MOSFET，GaN和SiC到底能為電子行業帶來哪些技術變革？

為了回答這些問題，小編認真閱讀了多個面向應用的市場分析報告和白皮書，下面我們就試著回答一下上面那些問題。


第一代半導體材料是以矽（Si）和鍺（Ge）為代表，我們目前的大多數晶片都是矽基器件。第二代半導體材料主要以砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）為代表，在4G移動通信設備和高端示波器中能看到它們的身影。以氮化鎵（GaN）、碳化矽（SiC）、氧化鋅（ZnO）、金剛石為代表的化合物屬於第三代半導體材料。

從理論上說，第三代半導體應該叫寬禁帶（Wide Band-Gap，WBG）半導體。這裡提到的禁帶寬度對電子元器件的性能影響很大。我們耳熟能詳的矽材料的禁帶寬度為1.12電子伏特(eV)，WBG半導體材料的禁帶寬度則達到了2.3eV及以上。高禁帶寬度帶來的好處是，器件能夠耐高壓、耐高溫，並且功率大、抗輻射、導電性能強、工作速度快、工作損耗低。


接下來，咱們就討論一下到底哪些行業亟需第三代半導體器件來「拯救」。
市場上正在使用的第三代半導體材料主要有兩種，即GaN和SiC。根據材料本身的特性，GaN比較適合中低壓（600V左右）、高頻等應用，而SiC比矽更薄、更輕、更小巧，市場應用領域更偏向1000V以上的中高壓範圍。在千瓦級應用中，SiC和GaN共用的電壓範圍只能到600V，在這個電壓範圍內，GaN應該比SiC更便宜一些。綜合來看，SiC和GaN材料將在電力電子、新能源汽車、數據中心、充電樁、5G等領域發揮重要作用，並為行業面向未來的高性能應用提供助力。

圖1 ：SiC、GaN、IGBT、超結MOSFET均有各自的市場定位（圖源：網絡）

根據美國能源局公布的數據，在所有行業中，電機系統消耗的電力約佔美國總電力需求的40%。為此，一些電機系統開始使用變頻驅動器（VFD）來動態調整電機速度，以滿足功率要求並節省能源。據估計，目前安裝的電機中有40-60%將受益於VFD。根據應用的不同，加入VFD後可以減少10-30%的能耗。不過，傳統的VFD體積太過龐大，佔用大量空間。基於SiC的VFD可以提高系統的體積、功率密度和效率，降低系統的整體成本。這應該算是當前最急迫的需求之一。

牽引逆變器、直流升壓變換器和車載電池充電器是混合動力和電動汽車（HEV/EV）的關鍵元件。 矽基逆變器的開關和其他損耗，以及自身的重量間接地影響了車輛的能源效率。 SiC逆變器可以通過在更高的開關頻率、效率和溫度下工作來降低直接和間接損耗。 採用SiC牽引逆變器的混合動力電動汽車，預計其能效能提高15%。 在電動汽車全球頂級賽事「Formula E」中，Rohm公司為VENTURI車隊提供的採用全SiC功率模塊製造的逆變器，其尺寸下降了43%，重量減輕了6kg。 根 據DIG ITIMES Research給出的預測數據： 到2025年，電動汽車用SiC功率半導體仍將繼續走高，約佔SiC功率半導體總市場的37%以上，高於2021年的25%。
全球1%的電力來自太陽能，預計未來10-15年將達到15%。 在太陽能光伏、風能等電網應用中，矽基光伏逆變器的典型最大轉換效率約為96%。 基於SiC的逆變器通過在更高的開關頻率下運行，可減小無源元件的尺寸以及系統總體佔用空間，提高能源效率，降低系統級成本。

GaN材料因電子飽和漂移速率最高，非常適合高頻率應用，而5G射頻（RF）前端無疑是目前GaN最好的應用場景。現在，GaN已經成為5G應用的關鍵材料。據Yole估計，大多數低於6GHz的宏網絡單元將使用GaN器件，到2023年，GaN RF器件市場規模有望達到13億美元。在剛剛結束的2020中國移動全球合作夥伴大會上，中國移動董事長楊傑透露，中國移動已經開通5G基站38.5萬個，為所有地級市和部分重要縣城提供5G SA服務。可以說，5G為GaN的發展提供了重要機遇。隨著成本的下降，接下來GaN有望在中低功率領域替代二極體、IGBT、MOSFET等矽基功率器件。

眾所周知，數據中心是能源消耗大戶，提高能源效率迫在眉睫。 基於WBG器件的高功率密度轉換器是實現更高效系統的關鍵因素，因為更高的溫度耐受性可以減少冷卻負載，並進一 步提高數據中心網格到晶片的效率。

消費電子產品如筆記本電腦、智慧型手機和平板電腦的電源轉換器雖然看起來體積不大，但同樣也是能源消耗大戶。以快充充電器為例，這兩年有一個最突出的變化，那就是GaN技術的應用。GaN充電器不僅功率大，充電快，體積還小很多。據統計，自2018年以來，三星、Oppo、小米和Verizon等知名品牌，已經向市場提供了數百萬個GaN快速充電器。


雖然學界和產業界早就認識到SiC和GaN的材料優勢，但由於製造設備、製造工藝與成本等方面的限制，多年來只能在有限的範圍內得到應用，市場也是不溫不火。隨著 5G、新能源汽車等新興市場的出現，SiC和GaN 的不可替代性優勢得到了充分發揮。
  • 在600V應用市場，Si VDMOS、IGBT、GaN FET、SiC MOSFET多種技術同臺競技的業態正在出現。
  • 在高壓、大功率應用中，SiC器件開始加快商業化進程。

隨著製造技術的進步，需求拉動疊加成本降低，SiC和GaN的時代即將到來。


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