已廣泛應(yīng)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(lǐng)域的第三代半導(dǎo)材料，近年來越來越受到半導(dǎo)體各行業(yè)的關(guān)注。目前，領(lǐng)先器件供應(yīng)商在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域做了什么?有什么技術(shù)難點(diǎn)?如何平衡性能與成本?未來有何發(fā)展目標(biāo)?......

前言：

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

領(lǐng)先供應(yīng)商在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域做了什么?

關(guān)于第三代半導(dǎo)體材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，包括太陽能逆變器、電動汽車、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器、LED驅(qū)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(guān)注。在這一領(lǐng)域具有領(lǐng)先地位的公司除了市場應(yīng)用涉及廣泛，其技術(shù)和市場優(yōu)勢也走在了行業(yè)前沿。

Power Integrations是全球領(lǐng)先的GaN供應(yīng)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(qū)動器和電動汽車等100多種不同的應(yīng)用領(lǐng)域。據(jù)行業(yè)分析機(jī)構(gòu)Yole的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，Power Integrations被評定為全球領(lǐng)先的GaN供應(yīng)商，并且公司至今仍保持著這一地位。

在電動汽車領(lǐng)域，GaN在其中的應(yīng)用越來越多，例如LIDAR(激光探測和測距)系統(tǒng)、OBC(車載充電機(jī))和ADAS(先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng))，Power Integrations為此提供內(nèi)置SiC開關(guān)的InnoSwitch3版本，以滿足電動汽車EV應(yīng)用的新興趨勢。此外，基于其SCALE技術(shù)，Power Integrations還提供多個(gè)面向牽引和可再生能源應(yīng)用的SiC門極驅(qū)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(yīng)用領(lǐng)域，推動工業(yè)、汽車的電氣化轉(zhuǎn)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(yīng)用，其中包括了SiC二極管、SiC MOSFET、SiC功率模塊等。在光伏領(lǐng)域，安森美與前10大光伏逆變器供應(yīng)商中的8家簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，已鎖定共計(jì)19.5億美元訂單，助力能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

安森美電源方案事業(yè)群先進(jìn)電源部技術(shù)營銷高級總監(jiān)Mrinal K.Das博士指出，在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域，安森美專注于SiC，應(yīng)用主要面向汽車、能源、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)中心/電信電源市場。汽車領(lǐng)域的市場滲透力最強(qiáng)，因?yàn)镾iC功率器件的高效率可實(shí)現(xiàn)非常可觀的續(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(shù)方面都有著深厚的積累和豐富的經(jīng)驗(yàn)，并在各自的領(lǐng)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(lǐng)域的快速發(fā)展，GaN和SiC的應(yīng)用前景將更加廣闊。發(fā)揮其技術(shù)和市場優(yōu)勢的企業(yè)，不斷推動第三代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)，也將迎來更加廣闊的發(fā)展前景。

第三代半導(dǎo)體技術(shù)的主要難點(diǎn)在哪里?

總體來說，第三代半導(dǎo)體技術(shù)的主要難點(diǎn)在于材料和制造工藝方面。由于第三代半導(dǎo)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(fù)雜，需要高溫高壓等條件，因此在設(shè)計(jì)和制造需要更高的精度和更復(fù)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(shí)施新技術(shù)時(shí)面臨的重要挑戰(zhàn)。

GaN的主要限制在于電壓。由于增強(qiáng)模式技術(shù)的特性，大多數(shù)GaN IC供應(yīng)商將電壓限制在650V。由于GaN接近理想開關(guān)，Power Integrations市場營銷副總裁Doug Bailey認(rèn)為“應(yīng)選盡選”：只要能上，就應(yīng)該使用GaN。他還認(rèn)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(gè)市場，尤其是可變功率應(yīng)用。隨著GaN電壓的提高，它將取代碳化硅;同時(shí)隨著其載流能力的提高，GaN將取代IGBT。

工程師在實(shí)施新技術(shù)時(shí)面臨的另一個(gè)困難是易用性，GaN也不例外。Doug Bailey提到，早期關(guān)注的焦點(diǎn)是如何驅(qū)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(fù)責(zé)如何在內(nèi)部驅(qū)動GaN開關(guān)的子系統(tǒng)。實(shí)際上，設(shè)計(jì)人員可以用具有GaN開關(guān)的器件取代硅基器件，并立即實(shí)現(xiàn)效率和功率密度優(yōu)勢，而無需掌握任何新技術(shù)。

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(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要確保更高的質(zhì)量和可靠性。相關(guān)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(dǎo)致實(shí)際應(yīng)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(shí)際應(yīng)用中穩(wěn)定工作，最終使失效率達(dá)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(gè)設(shè)計(jì)階段都要考慮更大的熱應(yīng)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(qū)現(xiàn)場應(yīng)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(jié)技術(shù)替代傳統(tǒng)的焊接工藝，可進(jìn)一步降低熱阻。

此外，SiC技術(shù)作為一種較新的技術(shù)，其設(shè)計(jì)人員需要全面的設(shè)計(jì)支持，包括評估板/套件、參考設(shè)計(jì)、選型指南、應(yīng)用手冊、SPICE模型和仿真工具等。服務(wù)生態(tài)完善的供應(yīng)商可提供相關(guān)的應(yīng)用工具，讓客戶根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行產(chǎn)品選型，為電力電子工程師節(jié)省時(shí)間，加快軟/硬開關(guān)設(shè)計(jì)上市。

如何平衡第三代半導(dǎo)體材料的性能與成本?

目前，第三代半導(dǎo)體技術(shù)正在對半導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)的硅制造工藝和設(shè)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?yàn)樗梢怨?jié)省散熱片和高效硅基設(shè)計(jì)的復(fù)雜拓?fù)渌璧念~外開關(guān)。

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(shí)，其致力于系統(tǒng)級方法，提供的電源IC可以幫助設(shè)計(jì)人員更快地將高效設(shè)計(jì)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(shù)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(qiáng)調(diào)研發(fā)始于創(chuàng)新，并擁有一支龐大的SiC技術(shù)開發(fā)團(tuán)隊(duì)。他們通過器件設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)周期進(jìn)行虛擬迭代，并確保開發(fā)工作重點(diǎn)是解決客戶面臨的高挑戰(zhàn)，從而降低技術(shù)研發(fā)難度和成本。

在能源領(lǐng)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(jìn)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(yīng)用。

在汽車領(lǐng)域，SiC在主驅(qū)逆變器和車載充電機(jī)(OBC)的應(yīng)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(lǐng)域還進(jìn)行了技術(shù)布局與產(chǎn)業(yè)整合，掌握整套的EliteSiC設(shè)計(jì)、制造、封測技術(shù)，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(shè)計(jì)、封裝技術(shù)和制程工藝，并與客戶建立聯(lián)合技術(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，以滿足不同的應(yīng)用需求。

Mrinal Das認(rèn)為，成本取決于半導(dǎo)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(dǎo)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(shù)來支持新型SiC芯片技術(shù)的散熱(和電氣)要求。領(lǐng)先的半導(dǎo)體供應(yīng)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(dǎo)體市場中有何發(fā)展目標(biāo)?

我們知道，在半導(dǎo)體領(lǐng)域中，第三代半導(dǎo)體技術(shù)正在引領(lǐng)市場，GaN和SiC作為代表材料，已成為業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。在這個(gè)領(lǐng)域，Power Integrations和安森美作為行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，都在不斷推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)，以滿足市場對高效、高性能半導(dǎo)體器件的需求。

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

Power Integrations的主要目標(biāo)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(lǐng)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(yīng)用需求。Power Integrations提供完整的電源系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員所采用的開關(guān)具備完美匹配的驅(qū)動器、控制器、保護(hù)電路和其他創(chuàng)新技術(shù)，這意味著設(shè)計(jì)人員可以放心，其設(shè)計(jì)的電源模塊非常高效，且已針對任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化，而且他們的最終設(shè)計(jì)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(rèn)為，SiC作為第三代半導(dǎo)體的關(guān)鍵材料，能夠顯著提高電動汽車驅(qū)動、電動汽車充電和能源基礎(chǔ)設(shè)施等重要領(lǐng)域的系統(tǒng)效率，并且隨著雙碳舉措的推進(jìn)，所有電壓超過750V的節(jié)能減排相關(guān)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(chǔ)設(shè)施和新能源汽車等行業(yè)的應(yīng)用，已和多家汽車供應(yīng)商和光伏供應(yīng)商簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，預(yù)計(jì)在未來三年可實(shí)現(xiàn)40億美元的SiC收入。

據(jù)其預(yù)計(jì)，從2022年到2030年，SiC功率器件的復(fù)合年均增長率(CAGR)將達(dá)到33%，其中大部分將用于汽車動力總成和能源基礎(chǔ)設(shè)施。 安森美在2022年實(shí)現(xiàn)了超過2億美元的SiC收入，有望在2023年達(dá)到約10億美元的SiC收入，目標(biāo)是成為全球SiC功率器件的頭部供應(yīng)商之一。

結(jié)語：

綜上所述，第三代半導(dǎo)體材料已在充電器、電動汽車、光伏儲能、充電樁等領(lǐng)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(shù)的不斷進(jìn)步、成本下降和市場需求的不斷增加，第三代半導(dǎo)體的滲透率也將會不斷提高。同時(shí)，伴隨著半導(dǎo)體廠商通過技術(shù)創(chuàng)新、解決方案優(yōu)化以及加強(qiáng)市場拓展等方面的措施，更好地抓住第三代半導(dǎo)體技術(shù)帶來的機(jī)遇，未來還將會有更多新的應(yīng)用場景涌現(xiàn)，那么第三代半導(dǎo)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