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第三代半导体受追捧,是虚火还是真需求?

2020-12-02
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第三代半导体产业化之路已经走了好多年,受困于技术和成本等因素,市场一直不温不火。

但今年的市场形势明显不同,各大半导体元器件企业纷纷加大了新产品的推广力度,第三代半导体也开始频繁出现在各地园区招商引资名单中。

问题来了:第三代半导体产业是真的进入春天还是虚火上升?又有哪些行业真的需要GaN或SiC功率器件呢?相对于IGBT、MOSFET和超级结MOSFET,GaN和SiC到底能为电子行业带来哪些技术变革?

为了回答这些问题,小编认真阅读了多个面向应用的市场分析报告和白皮书,下面我们就试着回答一下上面那些问题。





什么是第三代半导体?
首先,我们有必要说一下第三代半导体的来由。
第一代半导体材料是以硅(Si)和锗(Ge)为代表,我们目前的大多数芯片都是硅基器件。第二代半导体材料主要以砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)为代表,在4G移动通信设备和高端示波器中能看到它们的身影。以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、金刚石为代表的化合物属于第三代半导体材料。

从理论上说,第三代半导体应该叫宽禁带(Wide Band-Gap,WBG)半导体。这里提到的禁带宽度对电子元器件的性能影响很大。我们耳熟能详的硅材料的禁带宽度为1.12电子伏特(eV),WBG半导体材料的禁带宽度则达到了2.3eV及以上。高禁带宽度带来的好处是,器件能够耐高压、耐高温,并且功率大、抗辐射、导电性能强、工作速度快、工作损耗低。





哪些行业“渴望”第三代半导体?
接下来,咱们就讨论一下到底哪些行业亟需第三代半导体器件来“拯救”。
市场上正在使用的第三代半导体材料主要有两种,即GaN和SiC。根据材料本身的特性,GaN比较适合中低压(600V左右)、高频等应用,而SiC比硅更薄、更轻、更小巧,市场应用领域更偏向1000V以上的中高压范围。在千瓦级应用中,SiC和GaN共用的电压范围只能到600V,在这个电压范围内,GaN应该比SiC更便宜一些。综合来看,SiC和GaN材料将在电力电子、新能源汽车、数据中心、充电桩、5G等领域发挥重要作用,并为行业面向未来的高性能应用提供助力。

图1 :SiC、GaN、IGBT、超结MOSFET均有各自的市场定位(图源:网络)
1
电机驱动

根据美国能源局公布的数据,在所有行业中,电机系统消耗的电力约占美国总电力需求的40%。为此,一些电机系统开始使用变频驱动器(VFD)来动态调整电机速度,以满足功率要求并节省能源。据估计,目前安装的电机中有40-60%将受益于VFD。根据应用的不同,加入VFD后可以减少10-30%的能耗。不过,传统的VFD体积太过庞大,占用大量空间。基于SiC的VFD可以提高系统的体积、功率密度和效率,降低系统的整体成本。这应该算是当前最急迫的需求之一。

2
新能源汽车
牵引逆变器、直流升压变换器和车载电池充电器是混合动力和电动汽车(HEV/EV)的关键元件。硅基逆变器的开关和其他损耗,以及自身的重量间接地影响了车辆的能源效率。SiC逆变器可以通过在更高的开关频率、效率和温度下工作来降低直接和间接损耗。采用SiC牵引逆变器的混合动力电动汽车,预计其能效能提高15%。在电动汽车全球顶级赛事“Formula E”中,Rohm公司为VENTURI车队提供的采用全SiC功率模块制造的逆变器,其尺寸下降了43%,重量减轻了6kg。据DIGITIMES Research给出的预测数据:到2025年,电动汽车用SiC功率半导体仍将继续走高,约占SiC功率半导体总市场的37%以上,高于2021年的25%。
3
分布式能源
全球1%的电力来自太阳能,预计未来10-15年将达到15%。在太阳能光伏、风能等电网应用中,硅基光伏逆变器的典型最大转换效率约为96%。基于SiC的逆变器通过在更高的开关频率下运行,可减小无源元件的尺寸以及系统总体占用空间,提高能源效率,降低系统级成本。
4
5G

GaN材料因电子饱和漂移速率最高,非常适合高频率应用,而5G射频(RF)前端无疑是目前GaN最好的应用场景。现在,GaN已经成为5G应用的关键材料。据Yole估计,大多数低于6GHz的宏网络单元将使用GaN器件,到2023年,GaN RF器件市场规模有望达到13亿美元。在刚刚结束的2020中国移动全球合作伙伴大会上,中国移动董事长杨杰透露,中国移动已经开通5G基站38.5万个,为所有地级市和部分重要县城提供5G SA服务。可以说,5G为GaN的发展提供了重要机遇。随着成本的下降,接下来GaN有望在中低功率领域替代二极管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件。

5
数据中心
众所周知,数据中心是能源消耗大户,提高能源效率迫在眉睫。基于WBG器件的高功率密度转换器是实现更高效系统的关键因素,因为更高的温度耐受性可以减少冷却负载,并进一步提高数据中心网格到芯片的效率。
6
消费电子

消费电子产品如笔记本电脑、智能手机和平板电脑的电源转换器虽然看起来体积不大,但同样也是能源消耗大户。以快充充电器为例,这两年有一个最突出的变化,那就是GaN技术的应用。GaN充电器不仅功率大,充电快,体积还小很多。据统计,自2018年以来,三星、Oppo、小米和Verizon等知名品牌,已经向市场提供了数百万个GaN快速充电器。


虽然学界和产业界早就认识到SiC和GaN的材料优势,但由于制造设备、制造工艺与成本等方面的限制,多年来只能在有限的范围内得到应用,市场也是不温不火。随着 5G、新能源汽车等新兴市场的出现,SiC和GaN 的不可替代性优势得到了充分发挥。
  • 在600V应用市场,Si VDMOS、IGBT、GaN FET、SiC MOSFET多种技术同台竞技的业态正在出现。
  • 在高压、大功率应用中,SiC器件开始加快商业化进程。
  • 在5G、快充等市场,GaN已经迎来了发展的春天。

随着制造技术的进步,需求拉动叠加成本降低,SiC和GaN的时代即将到来。


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