[發(fā)布日期：2021-10-14 14:51:05] 點(diǎn)擊：
第三代半導(dǎo)體也稱(chēng)為寬禁帶半導(dǎo)體，不同于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體主要賴(lài)硅晶圓，它在材料層面上實(shí)現(xiàn)了更新。而與第一代、第二代半導(dǎo)體并非替代關(guān)系，而是形成互補(bǔ)，三者特性各異、用途不同。
具體來(lái)看，第一代半導(dǎo)體材料以硅(Si)和鍺(Ge)為主，是CPU處理器等集成電路主要運(yùn)用的材料;第二代半導(dǎo)體包括砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等，目前手機(jī)所使用的關(guān)鍵通信芯片都采用這類(lèi)材料制作。
第三代半導(dǎo)體材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料。在通信、汽車(chē)、高鐵、衛(wèi)星通信、航空航天等應(yīng)用場(chǎng)景中有優(yōu)勢(shì)。其中，碳化硅、氮化鎵的研究和發(fā)展更為成熟。
SiC器件的需求比產(chǎn)量漲的快
受材料本身特性的限制，傳統(tǒng)硅基功率器件已經(jīng)漸漸難以滿足 5G 基站、新能源車(chē)及高鐵等新興應(yīng)用對(duì)器件高功率及高頻性能的需求，但SiC作為半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的性能，尤其是用于功率轉(zhuǎn)換和控制的功率元器件。與傳統(tǒng)硅器件相比可以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高速開(kāi)關(guān)和耐高溫高壓工作，因此近年來(lái)倍受歡迎。
目前，SiC*大的應(yīng)用市場(chǎng)在新能源汽車(chē)的功率控制單元、逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、車(chē)載充電器等。以電動(dòng)汽車(chē)為例，采用碳化硅芯片，將使電驅(qū)裝置的體積縮小為五分之一，電動(dòng)汽車(chē)行駛損耗降低60%以上，相同電池容量下里程數(shù)顯著提高。
特斯拉此前在Model3率先使用意法半導(dǎo)體和英飛凌的SiC逆變器;2020年國(guó)產(chǎn)比亞迪新能源汽車(chē)“漢”的電機(jī)控制器中開(kāi)始應(yīng)用SiC-MOSFET模塊;今年3月，器件廠商斯達(dá)半導(dǎo)也宣布加碼車(chē)規(guī)級(jí)SiC模組產(chǎn)線。據(jù)Yole預(yù)計(jì)，到2025年，新能源汽車(chē)和充電樁領(lǐng)域的SiC市場(chǎng)將達(dá)到17.78億美元，約占SiC總市場(chǎng)規(guī)模的七成左右。
碳化硅具有1X1共價(jià)鍵的硅和碳化合物，其莫氏硬度為13，僅次于鉆石(15)和碳化硼(14)。*早是人們?cè)谔?yáng)系剛誕生的46億年前的隕石中，發(fā)現(xiàn)了少量這種物質(zhì)，所以它又被稱(chēng)為“經(jīng)歷46億年時(shí)光之旅的半導(dǎo)體材料”。據(jù)說(shuō)，SiC在天然環(huán)境下非常罕見(jiàn)，雖然通過(guò)人工合成可以制造，但因在長(zhǎng)晶的源頭晶種就要求相當(dāng)高的純度，且后段加工極其困難，SiC功率元器件量產(chǎn)化曾一度令研究者們頭疼。
數(shù)據(jù)顯示，目前全球SiC硅晶圓總年產(chǎn)能約在40-60萬(wàn)片，而且同時(shí)期的硅晶圓已經(jīng)由200mm(8英寸)向300mm(12英寸)進(jìn)發(fā)，但碳化硅晶圓的主流尺寸一直是150mm(6英寸)，每片晶圓能制造的芯片數(shù)量不大，遠(yuǎn)不能滿足下游需求。
以特斯拉Model 3主逆變器為例，需要24個(gè)電源模塊，每個(gè)電源模塊均基于兩個(gè)SiC MOSFET裸片，每輛汽車(chē)總共有48個(gè)SiC MOSFET裸片。按照這個(gè)估算若循序漸進(jìn)采用SiC后，平均2輛特斯拉的純電動(dòng)車(chē)就需要一片150mm SiC晶圓。Wedbush證券分析師Dan Ives曾稱(chēng)，到2022年特斯拉的交付量可能會(huì)達(dá)到100萬(wàn)輛，如果預(yù)測(cè)成真，那屆時(shí)僅特斯拉就將消耗掉全球SiC硅晶圓總產(chǎn)量。
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