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，市場一直不溫不火。

但今年的市場形勢明顯不同，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)體也開始頻繁出現(xiàn)在各地園區(qū)招商引資名單中。

問題來了：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？相對于IGBT、MOSFET和超級結(jié)MOSFET，GaN和SiC到底能為電子行業(yè)帶來哪些技術(shù)變革？

為了回答這些問題，小編認(rèn)真閱讀了多個面向應(yīng)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。

什么是第三代半導(dǎo)體？

首先，我們有必要說一下第三代半導(dǎo)體的來由。 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，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，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“拯救”。 市場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，市場應(yīng)用領(lǐng)域更偏向1000V以上的中高壓范圍。在千瓦級應(yīng)用中，SiC和GaN共用的電壓范圍只能到600V，在這個電壓范圍內(nèi)，GaN應(yīng)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(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均有各自的市場定位（圖源：網(wǎng)絡(luò)） 1 電機(jī)驅(qū)動

根據(jù)美國能源局公布的數(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總電力需求的40%。為此，一些電機(jī)系統(tǒng)開始使用變頻驅(qū)動器（VFD）來動態(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，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，傳統(tǒng)的VFD體積太過龐大，占用大量空間?；赟iC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 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(guān)鍵元件。硅基逆變器的開關(guān)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(guān)頻率、效率和溫度下工作來降低直接和間接損耗。采用SiC牽引逆變器的混合動力電動汽車，預(yù)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)測數(shù)據(jù)：到2025年，電動汽車用SiC功率半導(dǎo)體仍將繼續(xù)走高，約占SiC功率半導(dǎo)體總市場的37%以上，高于2021年的25%。 3 分布式能源 全球1%的電力來自太陽能，預(yù)計未來10-15年將達(dá)到15%。在太陽能光伏、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%?；赟iC的逆變器通過在更高的開關(guān)頻率下運(yùn)行，可減小無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）前端無疑是目前GaN最好的應(yīng)用場景。現(xiàn)在，GaN已經(jīng)成為5G應(yīng)用的關(guān)鍵材料。據(jù)Yole估計，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器件市場規(guī)模有望達(dá)到13億美元。在剛剛結(jié)束的2020中國移動全球合作伙伴大會上，中國移動董事長楊杰透露，中國移動已經(jīng)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(wù)?？梢哉f，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)換器是實現(xiàn)更高效系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，因為更高的溫度耐受性可以減少冷卻負(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(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，自2018年以來，三星、Oppo、小米和Verizon等知名品牌，已經(jīng)向市場提供了數(shù)百萬個GaN快速充電器。

雖然學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界早就認(rèn)識到SiC和GaN的材料優(yōu)勢，但由于制造設(shè)備、制造工藝與成本等方面的限制，多年來只能在有限的范圍內(nèi)得到應(yīng)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(xiàn)，SiC和GaN 的不可替代性優(yōu)勢得到了充分發(fā)揮。

在600V應(yīng)用市場，Si VDMOS、IGBT、GaN FET、SiC MOSFET多種技術(shù)同臺競技的業(yè)態(tài)正在出現(xiàn)。

在高壓、大功率應(yīng)用中，SiC器件開始加快商業(yè)化進(jìn)程。

在5G、快充等市場，GaN已經(jīng)迎來了發(fā)展的春天。

隨著制造技術(shù)的進(jìn)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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責(zé)任編輯：PSY

原文標(biāo)題：第三代半導(dǎo)體受追捧，是虛火還是真需求？

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