已廣泛應用于PD快充、電動汽車、光伏儲能、數(shù)據(jù)中心以及充電樁等領域的第三代半導材料，近年來越來越受到半導體各行業(yè)的關注。目前，領先器件供應商在第三代半導體領域做了什么?有什么技術難點?如何平衡性能與成本?未來有何發(fā)展目標?......

前言：

憑借功率密度高、開關速度快、抗輻照性強等優(yōu)點，以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導體材料被廣泛應用于電力電子、光電子學和無線通信等領域，以提高設備性能和效率，并成為當前半導體行業(yè)的熱點之一。當前，相關廠商也在不斷發(fā)揮技術和產(chǎn)品優(yōu)勢，為客戶提供更高效、更可靠的半導體器件和解決方案。本文將從第三代半導體技術的市場應用、技術難點以及性能與成本平衡等方面，對第三代半導體市場以及技術發(fā)展進行解讀。

領先供應商在第三代半導體領域做了什么?

關于第三代半導體材料在不同領域的應用，包括太陽能逆變器、電動汽車、工業(yè)電機驅動器、LED驅動器、PD快充以及5G通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)等，近年來受到越來越多的關注。在這一領域具有領先地位的公司除了市場應用涉及廣泛，其技術和市場優(yōu)勢也走在了行業(yè)前沿。

Power Integrations是全球領先的GaN供應商，目前有很多客戶正在使用或評估GaN和SiC產(chǎn)品，涉及充電器、家電、數(shù)據(jù)中心電源、LED驅動器和電動汽車等100多種不同的應用領域。據(jù)行業(yè)分析機構Yole的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，Power Integrations被評定為全球領先的GaN供應商，并且公司至今仍保持著這一地位。

在電動汽車領域，GaN在其中的應用越來越多，例如LIDAR(激光探測和測距)系統(tǒng)、OBC(車載充電機)和ADAS(先進駕駛輔助系統(tǒng))，Power Integrations為此提供內(nèi)置SiC開關的InnoSwitch3版本，以滿足電動汽車EV應用的新興趨勢。此外，基于其SCALE技術，Power Integrations還提供多個面向牽引和可再生能源應用的SiC門極驅動器系列。

安森美主要聚焦于新能源汽車、充電樁、光伏儲能、工業(yè)自動化等高壓大電流應用領域，推動工業(yè)、汽車的電氣化轉型。安森美在SiC方面擁有近20年的歷史，目前在大部分的新能源汽車上或多或少都有一些應用，其中包括了SiC二極管、SiC MOSFET、SiC功率模塊等。在光伏領域，安森美與前10大光伏逆變器供應商中的8家簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，已鎖定共計19.5億美元訂單，助力能源結構優(yōu)化，推進可持續(xù)發(fā)展。

安森美電源方案事業(yè)群先進電源部技術營銷高級總監(jiān)Mrinal K.Das博士指出，在第三代半導體領域，安森美專注于SiC，應用主要面向汽車、能源、電網(wǎng)基礎設施和數(shù)據(jù)中心/電信電源市場。汽車領域的市場滲透力最強，因為SiC功率器件的高效率可實現(xiàn)非?？捎^的續(xù)航里程增加以及終端系統(tǒng)成本降低。

Power Integrations和安森美在GaN和SiC技術方面都有著深厚的積累和豐富的經(jīng)驗，并在各自的領域內(nèi)取得了顯著的成就。未來，隨著新能源汽車、光伏儲能等領域的快速發(fā)展，GaN和SiC的應用前景將更加廣闊。發(fā)揮其技術和市場優(yōu)勢的企業(yè)，不斷推動第三代半導體技術的發(fā)展做出貢獻，也將迎來更加廣闊的發(fā)展前景。

第三代半導體技術的主要難點在哪里?

總體來說，第三代半導體技術的主要難點在于材料和制造工藝方面。由于第三代半導體材料具有更高的電子遷移率和更高的熱穩(wěn)定性，它們的制造工藝非常復雜，需要高溫高壓等條件，因此在設計和制造需要更高的精度和更復雜的工藝流程。可靠性、易用性、熱管理等因素都是工程師在實施新技術時面臨的重要挑戰(zhàn)。

GaN的主要限制在于電壓。由于增強模式技術的特性，大多數(shù)GaN IC供應商將電壓限制在650V。由于GaN接近理想開關，Power Integrations市場營銷副總裁Doug Bailey認為“應選盡選”：只要能上，就應該使用GaN。他還認為，GaN基本上會取代較低電壓的產(chǎn)品——從市電電壓到1200V及更高電壓;大體而言，GaN將在一定功率范圍內(nèi)占據(jù)整個市場，尤其是可變功率應用。隨著GaN電壓的提高，它將取代碳化硅;同時隨著其載流能力的提高，GaN將取代IGBT。

工程師在實施新技術時面臨的另一個困難是易用性，GaN也不例外。Doug Bailey提到，早期關注的焦點是如何驅動GaN HEMT(高電子遷移率電晶體)，而針對電源解決方案，Power Integrations的GaN器件是負責如何在內(nèi)部驅動GaN開關的子系統(tǒng)。實際上，設計人員可以用具有GaN開關的器件取代硅基器件，并立即實現(xiàn)效率和功率密度優(yōu)勢，而無需掌握任何新技術。

與硅相比，SiC的缺陷率更高，制造條件更苛刻。因此在采用SiC進行設計時，需要確保更高的質(zhì)量和可靠性。相關廠商可以通過推動晶體生長和外延方面的創(chuàng)新，以減少可能導致實際應用中早期失效的電活性缺陷的發(fā)生;此外，還在生產(chǎn)過程中采用高效的篩選方法，確保篩選出的、本征性好的器件能夠在實際應用中穩(wěn)定工作，最終使失效率達到行業(yè)要求的低PPM水平。

熱管理也是一大挑戰(zhàn)。SiC的工作溫度比硅基器件支持的溫度高，在整個設計階段都要考慮更大的熱應力，這可能會對系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不利影響。安森美汽車主驅現(xiàn)場應用工程師Hangyu Lu指出，安森美的解決方案是：1)采用銅基板方案以改善從芯片到散熱器的熱阻Rth;2)用燒結技術替代傳統(tǒng)的焊接工藝，可進一步降低熱阻。

此外，SiC技術作為一種較新的技術，其設計人員需要全面的設計支持，包括評估板/套件、參考設計、選型指南、應用手冊、SPICE模型和仿真工具等。服務生態(tài)完善的供應商可提供相關的應用工具，讓客戶根據(jù)應用需求進行產(chǎn)品選型，為電力電子工程師節(jié)省時間，加快軟/硬開關設計上市。

如何平衡第三代半導體材料的性能與成本?

目前，第三代半導體技術正在對半導體器件的性能(效率和功率密度等)、成本和尺寸產(chǎn)生重大影響。GaN和碳化硅的效率都明顯高于硅，但由于GaN可以使用標準的硅制造工藝和設備制造，其制造成本可以接近硅的制造成本。Power Integrations發(fā)現(xiàn)，對于規(guī)格較高的高端電源而言，GaN是成本最低的方法。因為它可以節(jié)省散熱片和高效硅基設計的復雜拓撲所需的額外開關。

據(jù)了解，Power Integrations目前的產(chǎn)品戰(zhàn)略是開發(fā)額定耐壓更高的GaN器件，并繼續(xù)提供解決方案;同時，其致力于系統(tǒng)級方法，提供的電源IC可以幫助設計人員更快地將高效設計推向市場，并充分利用GaN的固有優(yōu)勢，提高功率、減小尺寸并降低系統(tǒng)成本。公司的PowiGaN?技術已經(jīng)取代了傳統(tǒng)硅晶體管，使充電器、適配器和敞開式電源比硅基器件更高效、更小巧、更輕便。

SiC的材料優(yōu)勢是可以極大提高功率模塊的效率，減小重量和體積。安森美強調(diào)研發(fā)始于創(chuàng)新，并擁有一支龐大的SiC技術開發(fā)團隊。他們通過器件設計和學習周期進行虛擬迭代，并確保開發(fā)工作重點是解決客戶面臨的高挑戰(zhàn)，從而降低技術研發(fā)難度和成本。

在能源領域，基于SiC的光伏儲能系統(tǒng)則能夠在效率、體積和重量方面得以進一步優(yōu)化。安森美也有全系列的硅基和EliteSiC器件，并在新能源市場上獲得了廣泛的應用。

在汽車領域，SiC在主驅逆變器和車載充電機(OBC)的應用可以提升系統(tǒng)效率和里程數(shù)，并改善OBC的效率和體積。安森美Hangyu Lu提到，隨著市場向800V系統(tǒng)發(fā)展也會對SiC產(chǎn)生更大的需求。

此外，安森美在SiC領域還進行了技術布局與產(chǎn)業(yè)整合，掌握整套的EliteSiC設計、制造、封測技術，包括SiC晶錠生長、襯底、外延、分立器件和模塊等。公司不斷投入優(yōu)化EliteSiC器件的溝槽設計、封裝技術和制程工藝，并與客戶建立聯(lián)合技術應用實驗室，以滿足不同的應用需求。

Mrinal Das認為，成本取決于半導體的用量。安森美就利用SiC器件創(chuàng)新來減少SiC的用量，但芯片面積的減少會導致電流密度的增加，這就對封裝提出了散熱要求。安森美則采用創(chuàng)新的封裝技術來支持新型SiC芯片技術的散熱(和電氣)要求。領先的半導體供應商會利用芯片和封裝之間的這種協(xié)同作用，向市場提供更具競爭優(yōu)勢的產(chǎn)品。

在第三代半導體市場中有何發(fā)展目標?

我們知道，在半導體領域中，第三代半導體技術正在引領市場，GaN和SiC作為代表材料，已成為業(yè)界關注的熱點。在這個領域，Power Integrations和安森美作為行業(yè)領軍企業(yè)，都在不斷推進技術創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)，以滿足市場對高效、高性能半導體器件的需求。

Yole數(shù)據(jù)顯示，第三代半導體滲透率逐年上升，SiC滲透率在2023年有望達到3.75%，GaN滲透率在2023年達到1.0%，第三代半導體滲透率總計4.75%。

Power Integrations的主要目標是繼續(xù)以更高電壓的器件和完全集成的電源解決方案引領GaN市場。公司已經(jīng)能夠提供900V的器件，使GaN能夠完全滿足電動汽車傳動系統(tǒng)的應用需求。Power Integrations提供完整的電源系統(tǒng)，設計人員所采用的開關具備完美匹配的驅動器、控制器、保護電路和其他創(chuàng)新技術，這意味著設計人員可以放心，其設計的電源模塊非常高效，且已針對任務進行優(yōu)化，而且他們的最終設計將能夠通過所有現(xiàn)行及未來的國際電源能效法規(guī)。

Mrinal Das認為，SiC作為第三代半導體的關鍵材料，能夠顯著提高電動汽車驅動、電動汽車充電和能源基礎設施等重要領域的系統(tǒng)效率，并且隨著雙碳舉措的推進，所有電壓超過750V的節(jié)能減排相關的行業(yè)都會用到SiC功率器件，擁有非常好的市場前景。目前，安森美聚焦EliteSiC在能源基礎設施和新能源汽車等行業(yè)的應用，已和多家汽車供應商和光伏供應商簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，預計在未來三年可實現(xiàn)40億美元的SiC收入。

據(jù)其預計，從2022年到2030年，SiC功率器件的復合年均增長率(CAGR)將達到33%，其中大部分將用于汽車動力總成和能源基礎設施。 安森美在2022年實現(xiàn)了超過2億美元的SiC收入，有望在2023年達到約10億美元的SiC收入，目標是成為全球SiC功率器件的頭部供應商之一。

結語：

綜上所述，第三代半導體材料已在充電器、電動汽車、光伏儲能、充電樁等領域充分發(fā)揮出其效率和功率密度等性能優(yōu)勢。隨著技術的不斷進步、成本下降和市場需求的不斷增加，第三代半導體的滲透率也將會不斷提高。同時，伴隨著半導體廠商通過技術創(chuàng)新、解決方案優(yōu)化以及加強市場拓展等方面的措施，更好地抓住第三代半導體技術帶來的機遇，未來還將會有更多新的應用場景涌現(xiàn)，那么第三代半導體市場的廣闊發(fā)展前景和潛力也將逐步浮現(xiàn)。

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審核編輯 黃宇