宽禁带WBG半导体：SiC和GaN过去、现在和未来

导读：过去几十年，宽禁带（WBG）半导体SiC和GaN商业化应用普及速度较慢，但近几年随着低碳互联网时代的到来，上游IC原厂加大了WBG器件的投资制造，SiC和GaN正凭借能效优势迅速渗透电力、汽车、快速充电器等市场。英飞凌电源与传感系统事业部市场总监程文涛预测，Si、SiC和GaN的较量在未来很长一段时间仍然存在，各自在潜在的优势领域发力。

当今的低碳互联时代，随着清洁能源技术和电子工业的进步，电力能源、智慧交通、数字化工厂等对系统高能效要求越来越重要，而硅基半导体目前从架构上，从可靠性方面，从性能的提升，基本上已经接近了物理极限。而SiC和GaN作为替代Si的第三代半导体材料，正备受业界关注。

英飞凌电源与传感系统事业部市场总监程文涛指出，宽禁带（WBG）半导体碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的出现将引导技术转向新的高功率密度和效率、高耐热性能的解决方案，以减少导通损耗和碳排放，并满足针对电动汽车、可再生能源、数据中心和其他市场的更高功率系统的日益增长需求。

【图：在7月20日由易维讯举办的“2021年度EEVIA论坛”上，英飞凌电源与传感系统事业部市场总监程文涛发表《低碳互联时代的第三代半导体技术发展演进》的主题演讲。】

SiC和GaN潜力与优势

程文涛表示，“在未来很长一段时间，SiC主要用在高功率、高电压的场景。”具体而言，他们预计将扩大到10千瓦或更多的领域，在那里有很大的优势，创造紧凑和重量轻的系统。这包括用于发电系统的电源调节器、用于电动汽车(EV)等应用。

而“GaN主要用在追求超高频率的场景。”GaN器件有望应用于1kW或更低的电源，适用于对紧凑设计要求很高的领域。如，在第五代移动通信系统(5G)中，GaN装置有望用作基站的电源，这一市场预计在未来几年将扩大。

此外，随着USB电源传输标准(USB PD)的建立，可以通过USB电缆接收和提供高达100W的电源容量，从而使智能手机的充电器等变得标准化。传统上，小型化的智能手机充电器一直是首选。GaN器件是最适合实现这一目标的器件，未来GaN器件的推广速度有望加快。

WBG半导体技术兴起

针对第三代半导体WBG技术的发展。程文涛表示，早在十年前，国内的基站射频功率放大器基本上已经实现了GaN商业化，而SiC二极管自民用商业化之初就已经涉及电源应用。而近几年随着GaN快速充电器和电动汽车这两个杀手级应用市场的加入，WBG半导体开始迅速崛起。

2018年，特斯拉发布model3，开始在汽车上用碳化硅作为逆变器器件；2019年-2020年，手机OEM厂商OPPO、小米、华为、联想等相继发布GaN快速充电器产品。在上游晶圆市场，以英飞凌等为主导的半导体IC原厂正主导第三代半导体器件的投资制造。

如，针对电力全产业链能效提升方面，英飞凌公司开发了SiC模块、SiC二极管、SiCMOSFET和GaN HEMT。值得注意的是英飞凌的两个代表性品牌，SiC、GaN都是以Cool开头。

程文涛表示，近几年第三代半导体SiC和GaN已经成为半导体行业的一个热门话题。从政策层面来说，2021年3月11日，我国“十四五”规划纲要决议通过。决议明确指出，将发展碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）宽禁带半导体材料作为科技前沿领域重点攻关对象。

SiC和GaN的未来布局？

作为第三代半导体的代表性器件，WBG半导体SiC和GaN未来会否全面取代硅器件呢？程文涛认为，“至少在可见的将来不会。因为硅基半导体目前从性价比角度而言，依然是在非常宽的应用范围之内的不二之选。第三代半导体目前商业化上的瓶颈，就是它的成本还很高。虽然在迅速下降，但依然远高于硅基半导体。”

目前市面上已经出现定价接近硅基半导体的宽禁带半导体器件，并不代表它的成本就接近硅基半导体，那是一种商业行为，即巧用定价策略来催生这个市场。截止目前，硅基半导体还是会占据大部分市场，碳化硅主要用在高功率、高电压的场景。氮化镓主要是用在追求超高频率的场景。