第三代功率半导体进入快车道

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第三代半导体将是未来半导体技术的关键。集邦咨询（TrendForce）的调查显示，在 2018 年至 2020 年因贸易战和 Covid-19 大流行而推迟之后，由于汽车、工业和电信应用的需求回升，第三代半导体领域可能会进入快速回升阶段。 

集邦咨询指出：碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）在电动汽车（EV）和快充电池市场具有相当大的发展潜力。预计第三代功率半导体的产值，将从 2021 年的 9.8 亿美元、增长到 2025 年的 47.1 亿美元 —— 符合年增长率（CAGR）为 48% 。

（图源：TrendForce）

首先来看下大功率的碳化硅（SiC）器件，其能够在储能、风电、光伏、EV 新能源等领域发挥重要的作用。目前市面上的电动汽车，其功率半导体仍更加依赖于硅基材料（IGBT / MOSFET）。不过随着 EV 电池动力系统逐渐发展到 800V 以上的电压等级，SiC 将在高压系统中具有更高的性能表现。

特斯拉已开始在其用于 Model 3 车辆的内部逆变器中采用意法半导体的 SiC 设计。根据英飞凌的说法，采用 SiC 设计的同一辆车的功率可以延长 4%，因为功率占 EV 费用的很大一部分，汽车行业已经开始越来越重视第三代半导体。英飞凌预测 SiC 芯片将占汽车电力电子元件的五分之一。过去节油靠发动机，现在节能靠第三代半导体。

随着 SiC 逐步替代部分硅基础设计，整车架构和性能都将迎来大幅改进和提升。预计到 2025 年的时候，SiC 功率半导体的市场规模可达到 33.98 亿美元。

其次是适用于高频场景的氮化镓（GaN）旗舰，其在手机 / 通讯设备、平板 / 笔记本电脑上具有相当大的应用前景。与传统快充方案相比，GaN 具有更高的功率密度，能够在更加轻巧、便携的封装内实现更快的充电速度。

预计到 2025 年的时候，GaN 功率半导体市场规模可达到 13.2 亿美元。此外集邦咨询强调，第三代功率半导体基板相较于传统硅基板的制造难度和成本也都更高。

好消息是，目前各大基板供应商都呈现了努力发展的态势。随着 Wolfspeed、II-VI、Qromis 等公司相继扩大产能，预计今年下半年可实现 8 英寸基板的量产，且未来几年仍有相当大的持续增长空间。

事实证明，SiC和GaN的优势对诸多供应链的厂商有极大的吸引力，其中不少厂家早已积极投身于此类材料的研发。

台积电正专注于硅基氮化镓的发展。虽然这项技术在通信方面受到限制，但它在汽车应用中是一个具有竞争力的组件。台积电在年报中透露，2020年已开发150和650电压。去年2月，意法半导体宣布与台积电合作制造汽车化合物半导体。

台积电在制造 8 英寸晶圆的 GaN 器件方面取得了进展，而 6 英寸晶圆仍然是化合物半导体的主流。台积电许多退役的 8 英寸晶圆厂将承担新的化合物半导体生产。

与台积电一样，VIS 也专注于 GaN on Silicon 衬底的开发。VIS 总裁 Leuh Fang 表示，该代工厂的目标是建立一个完整的制造工艺，包括晶圆超薄化。

Sino-American Silicon Products Inc. (SAS)正在扩展第三代半导体，去年，该公司成为化合物半导体制造商AWSC进入电信应用领域的最大股东。据《财富》杂志报道，其子公司 Global Wafer 也在塑造第三代半导体基板的生产，但仍需提高良率和成本。

SAS 总监 MK Lu 表示， “ 6 英寸硅片成本为 20 美元，而 6 英寸 SiC 晶圆成本为 1,500 美元，”他表示，汽车 SiC MOSFET 只有在 SiC 成本降至 750 美元以下时才会普及， “这将需要五年多的时间。”