第三代半導體(ti) 指以氮化镓(GaN)、碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)和金剛石為(wei) 代表的化合物半導體(ti) ，該類半導體(ti) 材料禁帶寬度大於(yu) 或等於(yu) 2.2eV，因此也被稱為(wei) 寬禁帶(WBG)半導體(ti) 材料。

與(yu) 第一代的Si、Ge和第二代的GaAs、InP相比，GaN和SiC具有禁帶寬度大、擊穿電場強度高、電子遷移率高、熱導電率大、介電常數小和抗輻射能力強等特點，具有強大的功率處理能力、較高的開關(guan) 頻率、更高的電壓驅動能力、更小的尺寸、更高的效率和更高速的散熱能力，可滿足現代電子技術對高溫高頻、高功率、高輻射等惡劣環境條件的要求。目前最流行的WBG材料是SiC和GaN，它們(men) 的帶隙分別達到3.3eV和3.4eV，屬於(yu) 新興(xing) 的半導體(ti) 材料。

一.SiC和GaN的優(you) 勢

相對於(yu) Si器件，SiC功率器件具有三大優(you) 勢：

一是高壓特性。SiC器件是同等Si器件耐壓的10倍，SiC肖特基管的耐壓可達2,400V，SiC場效應管耐壓更是高達數萬(wan) 伏。

二是高頻和高效特性。SiC器件的工作頻率通常是Si器件的10倍左右。在PFC電路中，SiC器件可使電路工作在300kHz以上，且效率基本保持不變，而使用矽器件的電路在≥100kHz時效率就會(hui) 急劇下降。這一特性對高頻應用尤其重要，因為(wei) 在高頻條件下，電感等無源器件的體(ti) 積會(hui) 更小，整個(ge) 電路板的體(ti) 積將下降約30%。

三是耐高溫以及低損耗特性。SiC器件在600℃高溫下仍可正常工作，能量損耗也隻有矽器件的50%左右。

SiC是WBG材料中現階段開發最成熟的一種，不過作為(wei) 一項新技術，其不足之處就是SiC目前的生產(chan) 成本比較高。

作為(wei) 一種經濟高效的功率器件，相較於(yu) 已經發展十多年的SiC，GaN屬於(yu) 後來者。麵世之後，GaN就贏得了市場的關(guan) 注，其中一個(ge) 重要原因就是它擁有更大的成本控製潛力。矽基GaN功率器件的優(you) 勢主要體(ti) 現在高電壓運行、高開關(guan) 頻率和出色的可靠性等方麵，這對低於(yu) 900V的應用頗具吸引力。

在電力電子領域，SiC和GaN已成為(wei) 高功率、高溫應用的前沿解決(jue) 方案。Yole估計，用SiC或GaN代替矽可以將DC-DC轉換效率從(cong) 85%提高到95%，將AC-DC轉換效率從(cong) 85%提高到90%，DC-AC轉換效率從(cong) 96%優(you) 化到99%。

當今重要的新興(xing) 應用，如混合動力和電動汽車、數據中心、5G以及可再生能源發電等領域都已經開始大規模采用SiC和GaN器件，係統的能源效率得到大幅提升，體(ti) 積和重量顯著下降。

根據Global Market Insights的預測，到2025年，GaN和SiC功率半導體(ti) 市場將從(cong) 2018年的4億(yi) 美元的市值增長到30億(yi) 美元以上。

二.正確認識SiC和GaN的區別

盡管在概念層麵上有相似之處，根據其運行係統內(nei) 的工作參數，SiC和GaN器件之間是不可互換的。

首先，SiC器件可以承受1,200V甚至更高的電壓。而GaN器件能承受的電壓和功率密度相比SiC要低一些；另一方麵，由於(yu) GaN器件的關(guan) 斷時間幾乎為(wei) 零(與(yu) MOSFET矽的50V/s相比，電子遷移率高，dV/dt大於(yu) 100V/s)，因此特別適合高頻應用，且能提供前所未有的效率和性能。當然，這種特性可能會(hui) 帶來其他問題：如果組件的寄生電容不接近零，就會(hui) 產(chan) 生幾十安培的電流尖峰，這將導致電磁兼容性測試階段出現問題。

SiC共源共柵通常具有650V和1,200V額定值，電流高達85A左右，導通電阻約為(wei) 30mΩ。SiC-MOSFET在大約70A和45mΩ下電壓可達到1,700V。

GaN器件的最高電壓為(wei) 650V，額定電流和導通電阻分別為(wei) 60A和25mΩ，理論上能夠更快地進行切換。需要注意的是，在100V額定電壓下可用的GaN器件在導通電阻方麵並不比傳(chuan) 統的Si-MOSFET好，成本上也沒什麽(me) 優(you) 勢。

對於(yu) 未來，IHS數據清楚地表明，盡管IGBT和傳(chuan) 統MOSFET的銷售額將不斷增長，然而這並不會(hui) 消弱SiC和GaN器件的發展勢頭，畢竟功率器件整體(ti) 市場是處於(yu) 快速發展階段，焦點在於(yu) 這些功率器件應在特定的細分市場中找準自己的定位。圖1是功率器件未來可能的功率和工作頻率分割示意圖。

圖1：功率器件未來可能的功率和工作頻率分割示意圖(圖源：United SiC)

三.大功率高溫電子應用中的WBG

WBG半導體(ti) 的應用始於(yu) 發光二極管(LED)，進而擴展到帶有SAW濾波器的RF器件。1992年，隨著第一個(ge) 400V SiC肖特基二極管的問世，WBG半導體(ti) 首次出現在電力電子領域。從(cong) 那時起，WBG電力電子產(chan) 品組合逐步擴展至包括1,200VSiC肖特基二極管以及整流器、JFET、MOSFET、BJT和晶閘管等。

作為(wei) 行業(ye) 領導者，Cree在WBG上的產(chan) 品組合有MOSFET、肖特基二極管和整流器、LED等。2011年，Cree率先推出的Z-FET SiC MOSFET係列，大幅提高了功率開關(guan) 應用的可靠性。STMicroelectronics的STPSC係列SiC二極管可提供600V、650V和1,200V電壓。其中，STPSC6H12是一種高性能1,200VSiC肖特基整流器，專(zhuan) 門用於(yu) 光伏逆變器。

InfineonTechnologies(英飛淩)的CoolSiC和CoolGaN係列是該公司最具標誌性的SiC和GaN MOSFET器件及其驅動器。其中，FF6MR12W2M1_B11半橋模塊能夠在1,200V電壓下提供高達200A的電流，Rdson電阻僅(jin) 為(wei) 6mΩ，模塊還配有兩(liang) 個(ge) SiC MOSFET和一個(ge) NTC溫度傳(chuan) 感器，主要麵向UPS和電機控製應用。

onsemi(安森美)也有類似的解決(jue) 方案，即PhaseLeg SiC MOSFET模塊，它利用SP6LI器件係列，電壓達到1,700V，電流大於(yu) 200A。

四.5G應用中的WBG

5G技術承諾更快的數據傳(chuan) 輸速率、更高的網絡帶寬以及更低的延遲。然而，這些承諾同樣帶來了挑戰性的需求。因此，5G無線電需要更高的效率、更好的頻譜利用率、更高的連接密度，以及在保持成本合理的同時以新的更高頻率工作的能力。此外，組件還需要更高的功率密度，以及更緊湊的尺寸。

這些挑戰正是WBG半導體(ti) 的優(you) 勢所在。在MassiveMIMO(mMIMO)應用中，基站收發信機上使用大量陣列天線來實現更大的無線數據流量和連接可靠性，這意味著需要更多的硬件以及更大的功率消耗。GaN的小尺寸、高效率和大功率密度等特點為(wei) 實現高集成化的解決(jue) 方案提供了保證。特別是，GaN在高導熱SiC襯底上的出現(GaN-on-SiC)，使mMIMO的部署得以實現。

在mMIMO係統設計過程中，200MHz及以上的瞬時帶寬下，如何降低功率放大器(PA)在其非線性區域工作時產(chan) 生的失真非常關(guan) 鍵。此時，高效的GaN-on-SiC器件就成為(wei) 了放大器設計的最佳選擇。

Wolfspeed是GaN-on-SiC器件技術的領導者，它的高功率多芯片非對稱DohertyPA模塊(PAM)采用最先進的GaN-on-SiCHEMT器件和精確的非線性器件模型設計，主要用於(yu) 5GmMIMO基站中。因PAM采用緊湊的表麵貼裝封裝設計，所以比分立元件解決(jue) 方案的尺寸要小得多。該模塊隻需最少的外部組件即可構建全功能、高性能的DohertyPAM。其中，WS1A3940為(wei) 針對美國C波段3.7至4.0GHz設計優(you) 化的模塊，WS1A3640模塊的工作頻率從(cong) 3.3GHz到3.8GHz，WS1A2639模塊針對工作頻率2.496GHz至2.69GHz的頻帶設計進行了優(you) 化。

圖2：Wolfspeed公司針對不同市場提供4種PAM可供選擇(圖源：Wolfspeed)

五.新能源汽車中的WBG

GaN實現了汽車中一個(ge) 非常令人興(xing) 奮的應用——自動駕駛。位於(yu) 車輛頂部的激光雷達係統(LiDAR)，為(wei) 車輛提供了“眼睛”的功能，它創建了車輛周圍360度的三維圖像。激光束傳(chuan) 輸得越快，LiDAR探測到的地圖或定位對象的分辨率就越高。在LiDAR係統的核心，GaN技術起著至關(guan) 重要的作用，它使得整個(ge) 係統具備優(you) 越的解析度、快速的反應時間以及更高的準確性。

在LiDAR設計中常常要麵對這樣一個(ge) 難題：無法在用短脈衝(chong) 發射激光並且同時還能維持高峰值功率。麻煩的是，這一點恰恰是確保LiDAR實現長距離、高分辨率和安全不傷(shang) 眼的必要條件。歐司朗與(yu) GaNSystems聯合研製的一款極速激光驅動器解決(jue) 了這個(ge) 難題，該模塊的脈衝(chong) 上升時間為(wei) 1ns，同時分別以40A的電流驅動所有四個(ge) 通道，實現了480W的峰值功率。以低占空比對最大功率進行調製後，能遠距離生成高分辨率3D雲(yun) 點，可用於(yu) 新款LiDAR設計中。

在新能源汽車中，相比於(yu) 矽器件，SiC MOSFET的性能明顯占優(you) ，比如應用於(yu) 車載充電係統和電源轉換係統，它能夠有效降低開關(guan) 損耗，提高極限工作溫度，提升係統效率。根據Yole的數據，特斯拉於(yu) 2017年就在Model3中使用了SiC MOSFET，是業(ye) 界第一家使用SiC功率器件的汽車製造商。當時的產(chan) 品由ST提供，整個(ge) 功率模塊單元由單管模塊組成，采用標準的6-switches逆變器拓撲，器件耐壓為(wei) 650V。隨後英飛淩也成為(wei) 了特斯拉的SiC功率半導體(ti) 供應商。

安森美的650VSiC MOSFET同樣是新能源汽車市場的有力競爭(zheng) 者，該產(chan) 品係列采用了一種新穎的有源單元設計，同時結合先進的薄晶片技術，能夠為(wei) 具有650V擊穿電壓的器件提供一流的Rdson。2021年11月，安森美宣布完成對SiC生產(chan) 商GTAT的收購，公司在SiC產(chan) 品上的供應能力又得到了進一步增強。

新能源車中的電機控製係統、引擎控製係統、車身控製係統均需使用大量的半導體(ti) 功率器件。Strategy Analytics和英飛淩的統計數據表明，傳(chuan) 統ICE車輛中功率器件的單車價(jia) 值約為(wei) 71美元，輕型混合動力汽車(MHEV)中功率器件的單車價(jia) 值量約為(wei) 90美元，高度混合動力汽車(FHEV)和插電式混合動力汽車(PHEV)中功率器件的單車價(jia) 值約為(wei) 305美元，電池電動汽車(BEV)中功率器件的單車價(jia) 值將達到350美元左右。這些趨勢都是SiC和GaN發展的重大利好。

雖然汽車製造商在采用新技術方麵相對保守，但隨著GaN和SiC的產(chan) 品價(jia) 格日趨合理，OEM和Tier1已經開始逐步增加對這些技術的采用。目前。全球功率半導體(ti) 市場前五大廠商占據了約43.2%市場份額，其中，英飛淩的市占率為(wei) 19%、安森美8%、意法半導體(ti) 6%、東(dong) 芝5%、瑞薩5%。

六.結語

在功率半導體(ti) 領域，現在就來談論SiC和GaN能否替代矽器件可能為(wei) 時尚早。但隨著新能源汽車、5G通信以及消費電子市場的興(xing) 起，可以確信第三代半導體(ti) 正在迎來發展的春天。根據marketwatch預測，2020年，全球SiC和GaN功率器件市場規模約為(wei) 7.871億(yi) 美元，預計到2027年底將達到56.436億(yi) 美元，2021-2027年複合年增長率為(wei) 32.5%。從(cong) 眼下的市場應用來看，這個(ge) 預測並不算激進，未來的形勢有可能會(hui) 更好。