第三代半導(dǎo)體器件的機(jī)會(huì)在哪里

第三代半導(dǎo)體指以氮化鎵 (GaN)、碳化硅 (SiC)、氧化鋅 (ZnO) 和金剛石為代表的化合物半導(dǎo)體，該類半導(dǎo)體材料禁帶寬度大于或等于2.2eV，因此也被稱為寬禁帶 (WBG) 半導(dǎo)體材料。

與第一代的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(chǎng)強(qiáng)度高、電子遷移率高、熱導(dǎo)電率大、介電常數(shù)小和抗輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有強(qiáng)大的功率處理能力、較高的開關(guān)頻率、更高的電壓驅(qū)動(dòng)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(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)高溫高頻、高功率、高輻射等惡劣環(huán)境條件的要求。目前最流行的WBG材料是SiC和GaN，它們的帶隙分別達(dá)到3.3eV和3.4eV，屬于新興的半導(dǎo)體材料。

一. SiC和GaN的優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于Si器件，SiC功率器件具有三大優(yōu)勢(shì)：

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(dá)2,400V，SiC場(chǎng)效應(yīng)管耐壓更是高達(dá)數(shù)萬伏。

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，而使用硅器件的電路在≥100kHz時(shí)效率就會(huì)急劇下降。這一特性對(duì)高頻應(yīng)用尤其重要，因?yàn)樵诟哳l條件下，電感等無源器件的體積會(huì)更小，整個(gè)電路板的體積將下降約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，能量損耗也只有硅器件的50%左右。

SiC是WBG材料中現(xiàn)階段開發(fā)最成熟的一種，不過作為一項(xiàng)新技術(shù)，其不足之處就是SiC目前的生產(chǎn)成本比較高。

作為一種經(jīng)濟(jì)高效的功率器件，相較于已經(jīng)發(fā)展十多年的SiC，GaN屬于后來者。面世之后，GaN就贏得了市場(chǎng)的關(guān)注，其中一個(gè)重要原因就是它擁有更大的成本控制潛力。硅基GaN功率器件的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在高電壓運(yùn)行、高開關(guān)頻率和出色的可靠性等方面，這對(duì)低于900V的應(yīng)用頗具吸引力。

在電力電子領(lǐng)域，SiC和GaN已成為高功率、高溫應(yīng)用的前沿解決方案。Yole估計(jì)，用SiC或GaN代替硅可以將DC-DC轉(zhuǎn)換效率從85%提高到95%，將AC-DC轉(zhuǎn)換效率從85%提高到90%，DC-AC轉(zhuǎn)換效率從96%優(yōu)化到99%。

當(dāng)今重要的新興應(yīng)用，如混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心、5G以及可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域都已經(jīng)開始大規(guī)模采用SiC和GaN器件，系統(tǒng)的能源效率得到大幅提升，體積和重量顯著下降。

根據(jù)Global Market Insights的預(yù)測(cè)，到2025年，GaN和SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)將從2018年的4億美元的市值增長(zhǎng)到30億美元以上。

二. 正確認(rèn)識(shí)SiC和GaN的區(qū)別

盡管在概念層面上有相似之處，根據(jù)其運(yùn)行系統(tǒng)內(nèi)的工作參數(shù)，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；另一方面，由于GaN器件的關(guān)斷時(shí)間幾乎為零 (與MOSFET硅的50V/s相比，電子遷移率高，dV/dt大于100V/s) ，因此特別適合高頻應(yīng)用，且能提供前所未有的效率和性能。當(dāng)然，這種特性可能會(huì)帶來其他問題：如果組件的寄生電容不接近零，就會(huì)產(chǎn)生幾十安培的電流尖峰，這將導(dǎo)致電磁兼容性測(cè)試階段出現(xiàn)問題。

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

GaN器件的最高電壓為650V，額定電流和導(dǎo)通電阻分別為60A和25mΩ，理論上能夠更快地進(jìn)行切換。需要注意的是，在100V額定電壓下可用的GaN器件在導(dǎo)通電阻方面并不比傳統(tǒng)的Si-MOSFET好，成本上也沒什么優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于未來，IHS數(shù)據(jù)清楚地表明，盡管IGBT和傳統(tǒng)MOSFET的銷售額將不斷增長(zhǎng)，然而這并不會(huì)消弱SiC和GaN器件的發(fā)展勢(shì)頭，畢竟功率器件整體市場(chǎng)是處于快速發(fā)展階段，焦點(diǎn)在于這些功率器件應(yīng)在特定的細(xì)分市場(chǎng)中找準(zhǔn)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：UnitedSiC)

三. 大功率高溫電子應(yīng)用中的WBG

WBG半導(dǎo)體的應(yīng)用始于發(fā)光二極管 (LED) ，進(jìn)而擴(kuò)展到帶有SAW濾波器的RF器件。1992年，隨著第一個(gè)400V SiC肖特基二極管的問世，WBG半導(dǎo)體首次出現(xiàn)在電力電子領(lǐng)域。從那時(shí)起，WBG電力電子產(chǎn)品組合逐步擴(kuò)展至包括1,200V SiC肖特基二極管以及整流器、JFET、MOSFET、BJT和晶閘管等。

作為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，Cree在WBG上的產(chǎn)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系列，大幅提高了功率開關(guān)應(yīng)用的可靠性。STMicroelectronics的STPSC系列SiC二極管可提供600V、650V和1,200V電壓。其中，STPSC6H12是一種高性能1,200V SiC肖特基整流器，專門用于光伏逆變器。

Infineon Technologies (英飛凌) 的CoolSiC和CoolGaN系列是該公司最具標(biāo)志性的SiC和GaN MOSFET器件及其驅(qū)動(dòng)器。其中，F(xiàn)F6MR12W2M1_B11半橋模塊能夠在1,200V電壓下提供高達(dá)200A的電流，Rdson電阻僅為6mΩ，模塊還配有兩個(gè)SiC MOSFET和一個(gè)NTC溫度傳感器，主要面向UPS和電機(jī)控制應(yīng)用。

onsemi (安森美) 也有類似的解決方案，即Phase Leg SiC MOSFET模塊，它利用SP6LI器件系列，電壓達(dá)到1,700V，電流大于200A。

四. 5G應(yīng)用中的WBG

5G技術(shù)承諾更快的數(shù)據(jù)傳輸速率、更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬以及更低的延遲。然而，這些承諾同樣帶來了挑戰(zhàn)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(shí)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(zhàn)正是WBG半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)所在。在Massive MIMO (mMIMO) 應(yīng)用中，基站收發(fā)信機(jī)上使用大量陣列天線來實(shí)現(xiàn)更大的無線數(shù)據(jù)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(diǎn)為實(shí)現(xiàn)高集成化的解決方案提供了保證。特別是，GaN在高導(dǎo)熱SiC襯底上的出現(xiàn) (GaN-on-SiC) ，使mMIMO的部署得以實(shí)現(xiàn)。

在mMIMO系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，200MHz及以上的瞬時(shí)帶寬下，如何降低功率放大器 (PA) 在其非線性區(qū)域工作時(shí)產(chǎn)生的失真非常關(guān)鍵。此時(shí)，高效的GaN-on-SiC器件就成為了放大器設(shè)計(jì)的最佳選擇。

Wolfspeed是GaN-on-SiC器件技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，它的高功率多芯片非對(duì)稱Doherty PA模塊 (PAM) 采用最先進(jìn)的GaN-on-SiC HEMT器件和精確的非線性器件模型設(shè)計(jì)，主要用于5G mMIMO基站中。因PAM采用緊湊的表面貼裝封裝設(shè)計(jì)，所以比分立元件解決方案的尺寸要小得多。該模塊只需最少的外部組件即可構(gòu)建全功能、高性能的Doherty PAM。其中，WS1A3940為針對(duì)美國(guó)C波段3.7至4.0GHz設(shè)計(jì)優(yōu)化的模塊，WS1A3640模塊的工作頻率從3.3GHz到3.8GHz，WS1A2639模塊針對(duì)工作頻率2.496 GHz至2.69 GHz的頻帶設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

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

五. 新能源汽車中的WBG

GaN實(shí)現(xiàn)了汽車中一個(gè)非常令人興奮的應(yīng)用——自動(dòng)駕駛。位于車輛頂部的激光雷達(dá)系統(tǒng) (LiDAR)，為車輛提供了“眼睛”的功能，它創(chuàng)建了車輛周圍360度的三維圖像。激光束傳輸?shù)迷娇欤琇iDAR探測(cè)到的地圖或定位對(duì)象的分辨率就越高。在LiDAR系統(tǒng)的核心，GaN技術(shù)起著至關(guān)重要的作用，它使得整個(gè)系統(tǒng)具備優(yōu)越的解析度、快速的反應(yīng)時(shí)間以及更高的準(zhǔn)確性。

在LiDAR設(shè)計(jì)中常常要面對(duì)這樣一個(gè)難題：無法在用短脈沖發(fā)射激光并且同時(shí)還能維持高峰值功率。麻煩的是，這一點(diǎn)恰恰是確保LiDAR實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高分辨率和安全不傷眼的必要條件。歐司朗與GaN Systems聯(lián)合研制的一款極速激光驅(qū)動(dòng)器解決了這個(gè)難題，該模塊的脈沖上升時(shí)間為1ns，同時(shí)分別以40A的電流驅(qū)動(dòng)所有四個(gè)通道，實(shí)現(xiàn)了480W的峰值功率。以低占空比對(duì)最大功率進(jìn)行調(diào)制后，能遠(yuǎn)距離生成高分辨率3D云點(diǎn)，可用于新款LiDAR設(shè)計(jì)中。

在新能源汽車中，相比于硅器件，SiC MOSFET的性能明顯占優(yōu)，比如應(yīng)用于車載充電系統(tǒng)和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，它能夠有效降低開關(guān)損耗，提高極限工作溫度，提升系統(tǒng)效率。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，特斯拉于2017年就在Model 3中使用了SiC MOSFET，是業(yè)界第一家使用SiC功率器件的汽車制造商。當(dāng)時(shí)的產(chǎn)品由ST提供，整個(gè)功率模塊單元由單管模塊組成，采用標(biāo)準(zhǔn)的6-switches逆變器拓?fù)?，器件耐壓?50V。隨后英飛凌也成為了特斯拉的SiC功率半導(dǎo)體供應(yīng)商。

安森美的650V SiC MOSFET同樣是新能源汽車市場(chǎng)的有力競(jìng)爭(zhēng)者，該產(chǎn)品系列采用了一種新穎的有源單元設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合先進(jìn)的薄晶片技術(shù)，能夠?yàn)榫哂?50V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(duì)SiC生產(chǎn)商GTAT的收購(gòu)，公司在SiC產(chǎn)品上的供應(yīng)能力又得到了進(jìn)一步增強(qiáng)。

新能源車中的電機(jī)控制系統(tǒng)、引擎控制系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)均需使用大量的半導(dǎo)體功率器件。Strategy Analytics和英飛凌的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，傳統(tǒng)ICE車輛中功率器件的單車價(jià)值約為71美元，輕型混合動(dòng)力汽車 (MHEV) 中功率器件的單車價(jià)值量約為90美元，高度混合動(dòng)力汽車 (FHEV) 和插電式混合動(dòng)力汽車 (PHEV) 中功率器件的單車價(jià)值約為305美元，電池電動(dòng)汽車 (BEV) 中功率器件的單車價(jià)值將達(dá)到350美元左右。這些趨勢(shì)都是SiC和GaN發(fā)展的重大利好。

雖然汽車制造商在采用新技術(shù)方面相對(duì)保守，但隨著GaN和SiC的產(chǎn)品價(jià)格日趨合理，OEM和Tier 1已經(jīng)開始逐步增加對(duì)這些技術(shù)的采用。目前。全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)前五大廠商占據(jù)了約43.2%市場(chǎng)份額，其中，英飛凌的市占率為19%、安森美8%、意法半導(dǎo)體6%、東芝5%、瑞薩5%。

六. 結(jié)語

在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，現(xiàn)在就來談?wù)揝iC和GaN能否替代硅器件可能為時(shí)尚早。但隨著新能源汽車、5G通信以及消費(fèi)電子市場(chǎng)的興起，可以確信第三代半導(dǎo)體正在迎來發(fā)展的春天。根據(jù)marketwatch預(yù)測(cè)，2020年，全球SiC和GaN功率器件市場(chǎng)規(guī)模約為7.871億美元，預(yù)計(jì)到2027年底將達(dá)到56.436億美元，2021-2027年復(fù)合年增長(zhǎng)率為32.5%。從眼下的市場(chǎng)應(yīng)用來看，這個(gè)預(yù)測(cè)并不算激進(jìn)，未來的形勢(shì)有可能會(huì)更好。

審核編輯：郭婷