第三代半導體電力電子器件和產業趨勢詳解

第3代半導體是指以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、金剛石、氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導體材料，各類半導體材料的帶隙能比較見表1。與傳統的第1代、第2代半導體材料硅（Si）和砷化鎵（GaAs）相比，第3代半導體具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、介電常數小等獨特的性能，使其在光電器件、電力電子、射頻微波器件、激光器和探測器件等方面展現出巨大的潛力，是世界各國半導體研究領域的熱點。

主要應用領域的發展概況

目前，第3代半導體材料正在引起清潔能源和新一代電子信息技術的革命，無論是照明、家用電器、消費電子設備、新能源汽車、智能電網、還是軍工用品，都對這種高性能的半導體材料有著極大的需求。根據第3代半導體的發展情況，其主要應用為半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領域，每個領域產業成熟度各不相同（見圖1）。

電力電子器件

在電力電子領域，寬禁帶半導體的應用剛剛起步，市場規模僅為幾億美元。其應用主要集中在軍事尖端裝備領域，正逐步向民用領域拓展。微波器件方面，GaN高頻大功率微波器件已開始用于軍用雷達、智能武器和通信系統等方面。在未來，GaN微波器件有望用于4G～5G移動通訊基站等民用領域。功率器件方面，GaN和SiC兩種材料體系的應用領域有所區別。Si基GaN器件主要的應用領域為中低壓（200～1 200V）， 如筆記本、高性能服務器、基站的開關電源；而SiC基GaN則集中在高壓領域（＞1 200V），如太陽能發電、新能源汽車、高鐵運輸、智能電網的逆變器等器件。

第三代半導體電力電子器件和產業趨勢

在20世紀，硅基半導體電力電子器件被廣泛應用于計算機、通信和能源等行業，為人們帶來了各種強大的電子設備，深刻地改變著每一個人的生活，在過去的幾十年中一直推動著科學的進步和發展。隨著硅基電力電子器件逐漸接近其理論極限值，利用寬禁帶半導體材料制造的電力電子器件顯示出比Si和GaAs更優異的特性，給電力電子產業的發展帶來了新的生機。相對于Si材料，使用寬禁帶半導體材料制造新一代的電力電子元件，可以變得更小、更快、更可靠和更高效。這將減少電力電子元件的質量、體積以及生命周期成本，允許設備在更高的溫度、電壓和頻率下工作，使得電子電子器件使用更少的能量卻可以實現更高的性能?；谶@些優勢，寬禁帶半導體在家用電器、電力電子設備、新能源汽車、工業生產設備、高壓直流輸電設備、移動電話基站等系統中都具有廣泛的應用前景。

1、軍事方面的應用

最初，針對禁帶半導體的研究與開發主要是為了滿足軍事國防方面的需求。早在1987年，美國政府和相關研究機構就促成了科銳公司（Cree）的成立，專門從事SiC半導體的研究。隨后，美國國防部和能源部先后啟動了“寬禁帶半導體技術計劃”和“氮化物電子下一代技術計劃”，積極推動SiC和GaN寬禁帶半導體技術的發展。美國政府一系列的部署引發了全球范圍內的激烈競爭，歐洲和日本也相繼開展了相關研究。歐洲開展了面向國防和商業應用的“KORRIGAN”計劃和面向高可靠航天應用的“GREAT2”計劃。日本則通過“移動通訊和傳感器領域半導體器件應用開發”、“氮化鎵半導體低功耗高頻器件開發”等計劃推動第3代半導體在未來通信系統中的應用。經過多年的發展，發達國家在寬禁帶半導體材料、器件及系統的研究上取得了豐碩的成果，實現了在軍事國防領域的廣泛應用。

由于SiC和GaN兩種材料的特性不同，它們的應用領域也有所區別：GaN主要是用作微波器件，而SiC主要是作為大功率高頻功率器件。GaN材料的功率密度是現有GaAs器件的10倍，是制造微波器件的理想材料，被應用于雷達、電子對抗、智能化系統及火控裝備，用來提高雷達性能和減小體積。根據報道，美國海軍新一代干擾機吊艙、空中和導彈防御雷達AMDR正在采用GaN來替代GaAs 器件，以取代洛馬公司的SPY-1相控陣雷達（宙斯盾系統核心雷達）。SiC則應用于高壓、高溫、強輻照等惡劣條件下工作的艦艇、飛機及智能武器電磁炮等眾多軍用電子系統，起到抵抗極端環境和降低能耗的作用。美國新型航空母艦CVN-21級福特號配備的4個電磁彈射系統均靠電力驅動，能在300英尺的距離內把飛機速度提高到160海里/h。其區域配電系統采用全SiC器件為基礎的固態功率變電站，這使得每個變壓器的質量從6t減少為1.7t，體積從10m3減少為2.7m3。

2、民用領域應用

隨著在軍事領域的應用逐步成熟，寬禁帶半導體的應用開始逐步拓展到民用應用領域，其節能效應也將惠及到國民經濟的方方面面。近年來，信息技術在原有基礎上又得到快速發展，大量的以新技術為基礎的新產品、新應用正在迅速普及，所帶來的電力電子設備的能源消耗量也快速增長。根據預測，美國電力電子設備用電量占總量的比例將從2005年的30%增長到2030年的80%。半導體在節能領域中應用最多就是功率器件，絕大多數電子產品都會使用到一顆或多顆功率器件產品。寬禁帶半導體的帶隙明顯大于硅半導體，從而可有效減小電子跨越的鴻溝，減少能源損耗。其相關器件的推廣應用將給工業電機系統、消費類電子產品、新能源等領域帶來深遠的影響（見圖4）。

圖4 寬禁帶半導體的應用領域示意圖

（1）工業電機系統

在傳統工業控制領域，交流電機控制、工業傳動裝置、機車與列車用電源以及供暖系統傳動裝置等都需要功率器件。對于工業電機系統來說，更高效、更緊湊的寬禁帶半導體變頻驅動器可使電機的轉速實現動態調整，這將使得泵、風機、壓縮機及空調系統所用的各類驅動電機變得更加高效、節能。根據報道，在美國，電機系統用電量占制造業的70%左右，通過使用寬禁帶半導體變頻驅動器，美國每年直接節省的電力相當于100萬戶美國家庭用電的年消耗量。隨著寬禁帶半導體變頻驅動器的應用逐步擴展，最終節省的電力可供690萬戶美國家庭使用。

（2）消費電子產品

消費電子產品將是寬禁帶半導體應用的另一大領域。目前，家庭擁有的電器總量驚人，各類家電通常都需要各種不同的功率器件控制；公共場所空調、照明、裝飾、顯示、計算機、自動控制等也需要大量的功率器件。筆記本電腦、智能手機、平板電腦、計算機和服務器等消費電子產品所使用的電源轉換器雖然單個能耗不大，但其使用數量龐大，損耗總和相當驚人。寬禁帶半導體芯片可以消除整流器在進行交直流轉換時90%的能量損失，還可以使筆記本電源適配器體積縮小80%。通過使用寬禁帶半導體，美國在此領域節約的電力可供130萬戶美國家庭使用。

（3）新能源領域

為了擺脫對化石燃料的依賴、減少溫室氣體的排放，各國政府都開始大力發展可再生能源產業。太陽能發電和風能發電系統所產生的電力需要從直流電源轉換成交流電，繼而才能與電網相連接使用。由于風能的不穩定性，風力發電機輸出非固定頻率的交流電，需要進行交-直-交的轉換才能并網使用。寬禁帶半導體逆變器可以使得這個過程的效率更高，美國每年節省的電力足夠供美國75萬戶家庭使用。此外，對于智能電網來說，使用寬禁帶半導體制成的逆變器、變壓器和晶體管等，有助于克服發電、輸電、配電及終端使用所面臨的一系列問題，幫助建立一個更智能、更可靠、更具彈性的新一代電網。例如，一個寬禁帶半導體逆變器，其性能是傳統逆變器性能的4倍，同時成本和質量分別減少50%和25%。對于較大規模的逆變器，寬禁帶半導體逆變器的質量可以減輕大約3 600kg。

在電動汽車和混合動力汽車領域，寬禁帶半導體可以把直流快充電站縮小到微波爐一樣大小，并減少2/3的電力損失。由于這些電子產品可以承受更高的工作溫度，可使得車輛冷卻系統的體積減少60%，甚至消除了二次液體冷卻系統。

3、產業趨勢

基于寬禁帶半導體的廣闊應用前景、巨大的市場需求和經濟效益，繼半導體照明以后，美國將第三代半導體材料的電子電力器件應用提升到國家戰略的高度，確保美國在這一領域的優勢地位。相對于半導體照明行業，寬禁帶半導體在電子電力領域的應用剛剛起步，但預計其潛在市場容量超過300億美元。

功率器件方面，2012年全球SiC和GaN基功率器件市場的銷售規模僅為1億多美元，大部分應用集中在電源。其中，SiC基器件的市場規模達到9 000萬美元，而GaN基器件僅為1 000多萬。2013年，各大企業紛紛推出GaN功率器件樣品，這標志著其在民用市場的商業化進程開始加速。隨著價格下降和產量的增加，預計市場拐點或將出現在2015年。SiC基器件的價格有望下降到2012年的一半左右，GaN基器件的價格也可能進一步下降，屆時市場規模有望接近5億美元。2020年，市場規模將達到20億美元，相比2012年提高20倍。微波器件方面，2012年GaN基微波器件市場收入接近9 000萬美元，預計GaN整體市場微波及功率器件到2015年達到3.5億美元。

我國開展SiC和GaN材料及器件方面的研究工作比較晚，在科技部及軍事預研項目的支持下，取得了一定的成果，逐步縮小了與國外先進技術的差距，在軍工領域已取得了一些應用。但是，研究的主要成果還停留在實驗室階段，器件性能離國外的報道還有很大差距。目前，已有少數企業成功開發SiC和GaN材料及器件，GaN微波器件和SiC功率器件于2013年進入小批量生產階段，預計在未來2～3年內將實現量產。