何以在第三代半導體技術中遙遙領先？

已廣泛應用于PD快充、電動汽車、光伏儲能、數據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?未來有何發展目標?......

前言：

憑借功率密度高、開關速度快、抗輻照性強等優點，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的熱點之一。當前，相關廠商也在不斷發揮技術和產品優勢，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、工業電機驅動器、LED驅動器、PD快充以及5G通信系統和衛星通信系統等，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，其技術和市場優勢也走在了行業前沿。

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產品，涉及充電器、家電、數據中心電源、LED驅動器和電動汽車等100多種不同的應用領域。據行業分析機構Yole的統計數據，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、OBC(車載充電機)和ADAS(先進駕駛輔助系統)，Power Integrations為此提供內置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、工業自動化等高壓大電流應用領域，推動工業、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家簽訂了戰略合作協議，已鎖定共計19.5億美元訂單，助力能源結構優化，推進可持續發展。

安森美電源方案事業群先進電源部技術營銷高級總監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、電網基礎設施和數據中心/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非?？捎^的續航里程增加以及終端系統成本降低。

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驗，并在各自的領域內取得了顯著的成就。未來，隨著新能源汽車、光伏儲能等領域的快速發展，GaN和SiC的應用前景將更加廣闊。發揮其技術和市場優勢的企業，不斷推動第三代半導體技術的發展做出貢獻，也將迎來更加廣闊的發展前景。

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?？煽啃?、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。

GaN的主要限制在于電壓。由于增強模式技術的特性，大多數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占據整個市場，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部驅動GaN開關的子系統。實際上，設計人員可以用具有GaN開關的器件取代硅基器件，并立即實現效率和功率密度優勢，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生;此外，還在生產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定工作，最終使失效率達到行業要求的低PPM水平。

熱管理也是一大挑戰。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，這可能會對系統的可靠性產生不利影響。安森美汽車主驅現場應用工程師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。服務生態完善的供應商可提供相關的應用工具，讓客戶根據應用需求進行產品選型，為電力電子工程師節省時間，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發現，對于規格較高的高端電源而言，GaN是成本最低的方法。因為它可以節省散熱片和高效硅基設計的復雜拓撲所需的額外開關。

據了解，Power Integrations目前的產品戰略是開發額定耐壓更高的GaN器件，并繼續提供解決方案;同時，其致力于系統級方法，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的固有優勢，提高功率、減小尺寸并降低系統成本。公司的PowiGaN?技術已經取代了傳統硅晶體管，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。安森美強調研發始于創新，并擁有一支龐大的SiC技術開發團隊。他們通過器件設計和學習周期進行虛擬迭代，并確保開發工作重點是解決客戶面臨的高挑戰，從而降低技術研發難度和成本。

在能源領域，基于SiC的光伏儲能系統則能夠在效率、體積和重量方面得以進一步優化。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效率和里程數，并改善OBC的效率和體積。安森美Hangyu Lu提到，隨著市場向800V系統發展也會對SiC產生更大的需求。

此外，安森美在SiC領域還進行了技術布局與產業整合，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同作用，向市場提供更具競爭優勢的產品。

在第三代半導體市場中有何發展目標?

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，已成為業界關注的熱點。在這個領域，Power Integrations和安森美作為行業領軍企業，都在不斷推進技術創新和產品研發，以滿足市場對高效、高性能半導體器件的需求。

Yole數據顯示，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。公司已經能夠提供900V的器件，使GaN能夠完全滿足電動汽車傳動系統的應用需求。Power Integrations提供完整的電源系統，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化，而且他們的最終設計將能夠通過所有現行及未來的國際電源能效法規。

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效率，并且隨著雙碳舉措的推進，所有電壓超過750V的節能減排相關的行業都會用到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的應用，已和多家汽車供應商和光伏供應商簽訂戰略合作協議，預計在未來三年可實現40億美元的SiC收入。

據其預計，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揮出其效率和功率密度等性能優勢。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新、解決方案優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，那么第三代半導體市場的廣闊發展前景和潛力也將逐步浮現。

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審核編輯 黃宇