第三代半導體指以氮化鎵 (GaN)、碳化硅 (SiC)、氧化鋅 (ZnO) 和金剛石為代表的化合物半導體，該類半導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，它們的帶隙分別達到3.3eV和3.4eV，屬于新興的半導體材料。

一. SiC和GaN的優勢

相對于Si器件，SiC功率器件具有三大優勢：

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時效率就會急劇下降。這一特性對高頻應用尤其重要，因為在高頻條件下，電感等無源器件的體積會更小，整個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材料中現階段開發最成熟的一種，不過作為一項新技術，其不足之處就是SiC目前的生產成本比較高。

作為一種經濟高效的功率器件，相較于已經發展十多年的SiC，GaN屬于后來者。面世之后，GaN就贏得了市場的關注，其中一個重要原因就是它擁有更大的成本控制潛力。硅基GaN功率器件的優勢主要體現在高電壓運行、高開關頻率和出色的可靠性等方面，這對低于900V的應用頗具吸引力。

在電力電子領域，SiC和GaN已成為高功率、高溫應用的前沿解決方案。Yole估計，用SiC或GaN代替硅可以將DC-DC轉換效率從85%提高到95%，將AC-DC轉換效率從85%提高到90%，DC-AC轉換效率從96%優化到99%。

當今重要的新興應用，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，系統的能源效率得到大幅提升，體積和重量顯著下降。

根據Global Market Insights的預測，到2025年，GaN和SiC功率半導體市場將從2018年的4億美元的市值增長到30億美元以上。

二. 正確認識SiC和GaN的區別

盡管在概念層面上有相似之處，根據其運行系統內的工作參數，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；另一方面，由于GaN器件的關斷時間幾乎為零 (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用，且能提供前所未有的效率和性能。當然，這種特性可能會帶來其他問題：如果組件的寄生電容不接近零，就會產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650V，額定電流和導通電阻分別為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器件在導通電阻方面并不比傳統的Si-MOSFET好，成本上也沒什么優勢。

對于未來，IHS數據清楚地表明，盡管IGBT和傳統MOSFET的銷售額將不斷增長，然而這并不會消弱SiC和GaN器件的發展勢頭，畢竟功率器件整體市場是處于快速發展階段，焦點在于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：UnitedSiC)

三. 大功率高溫電子應用中的WBG

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

作為行業領導者，Cree在WBG上的產品組合有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應用的可靠性。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志性的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電阻僅為6mΩ，模塊還配有兩個SiC MOSFET和一個NTC溫度傳感器，主要面向UPS和電機控制應用。

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，電壓達到1,700V，電流大于200A。

四. 5G應用中的WBG

5G技術承諾更快的數據傳輸速率、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半導體的優勢所在。在Massive MIMO (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實現高集成化的解決方案提供了保證。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系統設計過程中，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生的失真非常關鍵。此時，高效的GaN-on-SiC器件就成為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Doherty PA模塊 (PAM) 采用最先進的GaN-on-SiC HEMT器件和精確的非線性器件模型設計，主要用于5G mMIMO基站中。因PAM采用緊湊的表面貼裝封裝設計，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建全功能、高性能的Doherty PAM。其中，WS1A3940為針對美國C波段3.7至4.0GHz設計優化的模塊，WS1A3640模塊的工作頻率從3.3GHz到3.8GHz，WS1A2639模塊針對工作頻率2.496 GHz至2.69 GHz的頻帶設計進行了優化。

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實現了汽車中一個非常令人興奮的應用——自動駕駛。位于車輛頂部的激光雷達系統 (LiDAR)，為車輛提供了“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系統的核心，GaN技術起著至關重要的作用，它使得整個系統具備優越的解析度、快速的反應時間以及更高的準確性。

在LiDAR設計中常常要面對這樣一個難題：無法在用短脈沖發射激光并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眼的必要條件。歐司朗與GaN Systems聯合研制的一款極速激光驅動器解決了這個難題，該模塊的脈沖上升時間為1ns，同時分別以40A的電流驅動所有四個通道，實現了480W的峰值功率。以低占空比對最大功率進行調制后，能遠距離生成高分辨率3D云點，可用于新款LiDAR設計中。

在新能源汽車中，相比于硅器件，SiC MOSFET的性能明顯占優，比如應用于車載充電系統和電源轉換系統，它能夠有效降低開關損耗，提高極限工作溫度，提升系統效率。根據Yole的數據，特斯拉于2017年就在Model 3中使用了SiC MOSFET，是業界第一家使用SiC功率器件的汽車制造商。當時的產品由ST提供，整個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650V。隨后英飛凌也成為了特斯拉的SiC功率半導體供應商。

安森美的650V SiC MOSFET同樣是新能源汽車市場的有力競爭者，該產品系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生產商GTAT的收購，公司在SiC產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制系統、引擎控制系統、車身控制系統均需使用大量的半導體功率器件。Strategy Analytics和英飛凌的統計數據表明，傳統ICE車輛中功率器件的單車價值約為71美元，輕型混合動力汽車 (MHEV) 中功率器件的單車價值量約為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值約為305美元，電池電動汽車 (BEV) 中功率器件的單車價值將達到350美元左右。這些趨勢都是SiC和GaN發展的重大利好。

雖然汽車制造商在采用新技術方面相對保守，但隨著GaN和SiC的產品價格日趨合理，OEM和Tier 1已經開始逐步增加對這些技術的采用。目前。全球功率半導體市場前五大廠商占據了約43.2%市場份額，其中，英飛凌的市占率為19%、安森美8%、意法半導體6%、東芝5%、瑞薩5%。

六. 結語

在功率半導體領域，現在就來談論SiC和GaN能否替代硅器件可能為時尚早。但隨著新能源汽車、5G通信以及消費電子市場的興起，可以確信第三代半導體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7.871億美元，預計到2027年底將達到56.436億美元，2021-2027年復合年增長率為32.5%。從眼下的市場應用來看，這個預測并不算激進，未來的形勢有可能會更好。

審核編輯：郭婷