近年来，第三代半导体成为行业新风口。受疫情后期汽车、工业和消费电子等行业市场需求反弹因素推动，再加上“碳中和”话题在各行业内迅速出圈及相关政策支持，2021年，第三代半导体的成长动能有望持续上升。根据TrendForce预测，2021年，GaN功率器件的成长力道更为明显，预估其今年市场规模将达6,100万美元，年增长率高达90.6%。
在市场规模日渐扩大的情况下，第三代半导体的应用场景正在不断拓展，目前已经从半导体照明等小批量应用走向了包括数据中心、新能源汽车等更广阔的市场。
第三代半导体
主要指的是宽禁带半导体材料，主要以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表。
第一代半导体是以硅材料为主，也是当下大众讨论最普遍的半导体概念，它广泛应用在手机、电脑、电视等领域。第二代半导体以砷化镓、锑化铟为代表，主要是功率放大，其也是制作高性能微波、毫米波器件的优良材料，常用于卫星通讯、移动通讯、导航等领域。
然而，随着第一二代半导体工艺接近物理极限，微电子领域的摩尔定律慢慢开始失效。而宽禁带半导体（WBG）凭借其独特性能开始崭露头角。
将碳化硅（SiC）器件应用于电力电子领域的提议最早诞生于60年代，这类器件的宽带隙和其他特点可确保设备的高效率运行。然而，SiC晶圆基片在制造方面存在一些困难，这限制了SiC功率器件的大规模发展，主要挑战包括高品质SiC材料的有限可用性、SiC晶圆的成本、更大直径晶圆的SiC制造问题、缺陷密度以及产量。近来，不同供应商推出的高品质SiC晶圆基片规避了上述问题，而激烈的竞争也进一步压低了晶圆价格。
与已经应用了较长时间的SiC功率器件相比，GaN功率器件才刚刚问世。GaN基于面积更大、成本更低的Si基片，并可由改造后的CMOS晶圆厂制造，因此具备SiC的许多性能优势。然而，SiC和GaN电源开关所采用的技术大相径庭。例如，SiC是一种较硬的材料，需要（与硅相比）更高的温度和更复杂的制造工艺；进行退火处理的温度分别是1700°C vs 800°C，进行离子注入的温度分别是500°C vs 25°C。
另一方面，GaN开关源自射频HEMT（高电子迁移率晶体管）技术，这与硅功率场效应晶体管不同。
这两种技术的吸引力主要在于能在较高的电压下运行而不影响导通性能；它们可以更安全地应对更高温度，可以在更高的频率下工作。它们的物理和电气特性使其能够在小型化、可靠性和功率密度（对于电动汽车（EV）逆变器和充电器、数据中心转换器和工业驱动器等要求严苛的应用尤其重要）方面达到领先水平。下表总结了硅与SiC（4H多型结构）和GaN的主要性能比较。
▲表1：宽带隙半导体与硅的物理性质对比
SiC MOSFET和GaN HEMT在各种应用中的优点
SiC MOSFET和GaN HEMT在很大程度上是互补的，因为它们各自面向不同的应用需求。
由于SiC MOSFET能够在650V-1600V电压范围内工作，非常适合牵引逆变器、DC-DC变换器和OBC，因此这两种器件的大规模应用大大地惠及了电动汽车行业。为了使SiC技术满足严格的汽车应用要求，意法半导体很早就成功进行了大量测试，因此能够为电动汽车行业批量提供平面SiC MOSFET，用于主逆变器、DC-DC转换器和OBC（车载充电器）。此外，ST POWER SiC MOSFET也可用于全球基础设施的支柱——充电站。
此外，SiC在汽车领域的应用不仅有助于打开工业领域的其他应用场景，也能够指导设计人员构想未来的空间和航空电子应用。
GaN的工作电压范围650V-100V，因其具有更高的频率能力，加上技术更成熟且性价比更高，最终也可能成为适合DC-DC变换器和车载充电器的高价值技术。
SiC MOSFET具有与硅相同的垂直结构，以栅氧化层作为主要的构建块之一。在硅技术领域，设计人员宁可花费数年进行消化，也要用性能更优异的沟槽型和超结型来替代MOSFET和IGBT的平面结构。
SiC MOSFET带来的设计优势
SiC MOSFET带来的设计优势包括：能够显著提高效率增益和转换效率，降低功率损耗，大大减小芯片的面积。
我们可以对SiC MOSFET的优点进行量化。假设有一个210kW的逆变器，在总芯片面积和损耗方面将其与IGBT等硅解决方案（加上续流二极管）进行对比。根据实际情况，假设10kHz工作频率和800V总线，这是汽车制造商的主要选择。表2总结了使用硅IGBT和SiC MOSFET时的总损耗和芯片面积对比。可以看到，效率增益从3%到8%不等，具体取决于负载。需要强调的是，在取得更高效率的同时，它的芯片面积仅为原来的五分之一!
▲表2：芯片面积和总损耗对比
▲图1：导通和开关之间的损耗分摊(作为负载的函数)
图1描述了导通和开关之间的损耗分摊（作为负载的函数）。总的来说，由于损耗急剧降低，PCU（电源控制单元）的尺寸减少了50%，进而又降低了冷却系统的成本。
▲表3：SiC和Si MOSFET的性能对比汇总
表3展示了SiC和Si MOSFET的性能对比汇总。可以看到，在所有负载条件下，SiC MOSFET的总损耗平均低3倍，从而具有更高的转换效率。
另一个例子是拥有1MW装机功率的中央存储系统，如下（图2）。
▲图2：基于SiC的双向存储系统
如今，在全球都在积极践行节能环保，以期早日达到碳中和目标的大背景下，SiC半导体材料所带来的节能减排和功效优化将为加快碳中和进程再添一把力。
去年12月，意法半导体宣布，到2027年实现碳中和目标以及100％采用可再生能源，公司直接和间接排放量在2018年的基础上减少50％！
什么是碳中和
碳中和（carbon neutrality），节能减排术语，是指企业、团体或个人测算在一定时间内，直接或间接产生的温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，抵消自身产生的二氧化碳排放，实现二氧化碳的“零排放”。
GaN器件的优点和发展潜力
氮化镓（GaN）应该是近年最常听到的一个词了。2020年， 65W氮化镓USB PD快充充电器的正式发布，让氮化镓充电器一夜之间成为了“网红”，众多国内国际大厂也纷纷入局氮化镓充电器市场。
采用氮化镓技术的充电器可以比传统的硅技术充电器体积缩小 30% - 50%，重量减少 15% - 30%，整体效率提升 10% - 20%。在相同体积和输出功率下，温度也会比硅基更低。这些优异的材料特性，也是氮化镓在充电器市场如此火爆的原因。
GaN HEMT的应用日益广泛（如OBC、无线充电、负载点（POL）、光伏微型逆变器、开关电源和适配器等），利用低导通电阻、低电容、以及低栅极电荷等优异性能实现高频率操作。GaN HEMT的工作电压范围从100V到650V/900V，将帮助设计人员实现更高的转换效率和更小的形状因子，从而实现前所未有的功率密度。
由于具有上述特性，GaN HEMT不仅借助传统拓扑可以提供优越的性能，还能帮助实现新的电路概念。例如，图腾柱PFC电路的效率可以达到99%，提供高效率和更高的功率密度。一般来说，由于有源半导体器件的数量从3个减少到2个，无桥PFC的导通损耗低于传统PFC。图腾柱无桥拓扑的电磁干扰噪声低于其他无桥拓扑，因此也得到应用。
用于PC旅行适配器和USB墙壁充电器的有源钳位反激（ACF）转换器是GaN大规模应用的案例之一。在该拓扑结构（图3）中，传统反激式电路的标准二极管可以替换为二次开关（S2）。低开关损耗（零电压开关）和变压器的漏过能量再利用等优势使该电路可以高频使用，大大减少了适配器的尺寸和重量。
▲图3：（ACF拓扑中的）GaN用于充电器
近年来，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体已成为群雄逐鹿之地。凭借更大的禁带宽度、击穿电场强度高、抗辐射能力强等性能优势，第三代半导体广泛应用于能源、交通、信息、国防等众多领域，随着5G通信、新能源汽车等应用市场强势崛起，第三代半导体将激发下一轮创新科技的新高潮。
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