凭借功率密度高、开关速度快、抗辐照性强等优点，以碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 为代表的第三代半导体材料被广泛应用于电力电子、光电子学和无线通信等领域，以提高设备性能和效率，并成为当前半导体行业的热点之一。当前，相关厂商也在不断发挥技术和产品优势，为客户提供更高效、更可靠的半导体器件和解决方案。
领先的供应商（Power Integrations）在第三代半导体领域的贡献
第三代半导体材料在不同领域的应用，包括太阳能逆变器、电动汽车、工业电机驱动器、LED驱动器、PD快充以及5G通信系统和卫星通信系统等，近年来受到越来越多的关注。在这一领域具有领先地位的公司，凭借其广泛的市场应用和技术优势，走在了行业前沿。
Power Integrations 是全球领先的 GaN 供应商，目前有许多客户正在使用或评估其 GaN 和 SiC 产品，涵盖充电器、家电、数据中心电源、LED 驱动器和电动汽车等 100 多种不同的应用领域。据行业分析机构 Yole 的统计数据，Power Integrations 被评定为全球领先的 GaN 供应商，并且公司至今仍保持这一地位。
在电动汽车领域，GaN 的应用日益增多，例如 LIDAR (激光探测和测距) 系统、OBC (车载充电机) 和 ADAS (先进驾驶辅助系统)，Power Integrations 为此提供内置 SiC 开关的 InnoSwitch3 版本，以满足电动汽车 EV 应用的新兴趋势。此外，基于其 SCALE 技术，Power Integrations 还提供多个面向牵引和可再生能源应用的 SiC 门极驱动器系列。
第三代半导体技术的挑战与机遇：材料难题、制造复杂性与未来展望
总体而言，第三代半导体技术的核心难点集中在材料特性和制造工艺的复杂性上。与传统材料相比，这些新型半导体材料如氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）在电子迁移率和热稳定性方面具有显著优势，但其生产过程要求极高的精度和复杂的工艺流程，包括高温高压条件下的制造过程。这对材料的可靠性、易用性和热管理提出了严峻的挑战。
氮化镓（GaN）目前面临的主要限制是电压承受能力。由于增强模式技术的特性，许多GaN集成电路供应商将其电压限制在650V。然而，GaN的接近理想开关特性使其成为高效电源的有力选择。Power Integrations的市场营销副总裁Doug Bailey指出，只要条件允许，就应该优先选择GaN。预计GaN将逐步取代较低电压的产品，适用于从市电电压到1200V及更高电压的各种应用。随着GaN电压承受能力的提升，它将逐步取代碳化硅（SiC）以及绝缘栅双极型晶体管（IGBT），在一定功率范围内占据市场主导地位，尤其在可变功率应用中表现尤为突出。
在实施GaN技术时，另一个重要挑战是易用性。早期主要关注如何驱动GaN高电子迁移率电晶体（HEMT），而Power Integrations的GaN器件已集成了内部驱动GaN开关的子系统。这样，设计人员可以用GaN开关器件替代传统硅基器件，快速实现效率和功率密度的提升，而无需掌握新的技术细节。
相比硅，碳化硅（SiC）材料的缺陷率较高，制造过程更加严苛。因此，在SiC的设计与生产过程中，需要特别关注材料的质量和可靠性。通过创新的晶体生长和外延技术，可以有效减少电活性缺陷的发生；此外，通过高效的筛选方法，确保筛选出的优质器件在实际应用中表现稳定，最终实现低失效率，满足行业的严格标准。
热管理同样是SiC技术面临的主要挑战。SiC器件的工作温度远高于传统硅基器件，因此在设计过程中需要考虑更大的热应力，以防对系统可靠性产生负面影响。解决方案包括：1) 采用铜基板以降低从芯片到散热器的热阻；2) 采用烧结技术代替传统焊接工艺，以进一步降低热阻，从而优化热管理效果。
第三代半导体技术正在对半导体器件的性能（效率和功率密度等）、成本和尺寸产生重大影响。GaN 和碳化硅的效率都明显高于硅，但由于 GaN 可以使用标准的硅制造工艺和设备制造，其制造成本可以接近硅的制造成本。Power Integrations 发现，对于规格较高的高端电源而言，GaN 是成本最低的方法。因为它可以节省散热片和高效硅基设计的复杂拓扑所需的额外开关。
Power Integrations 的产品战略是开发额定耐压更高的 GaN 器件，并继续提供解决方案；同时，其致力于系统级方法，提供的电源 IC 可以帮助设计人员更快地将高效设计推向市场，并充分利用 GaN 的固有优势，提高功率、减小尺寸并降低系统成本。公司的 PowiGaN™ 技术已经取代了传统硅晶体管，使充电器、适配器和敞开式电源比硅基器件更高效、更小巧、更轻便。
SiC 的材料优势是可以极大提高功率模块的效率，减小重量和体积。Power Integrations强调研发始于创新，并拥有一支庞大的 SiC 技术开发团队。他们通过器件设计和学习周期进行虚拟迭代，并确保开发工作重点是解决客户面临的高挑战，从而降低技术研发难度和成本。
在能源领域，基于 SiC 的光伏储能系统则能够在效率、体积和重量方面得以进一步优化。Power Integrations也有全系列的硅基和 EliteSiC 器件，并在新能源市场上获得了广泛的应用。
在汽车领域，SiC 在主驱逆变器和车载充电机 (OBC) 的应用可以提升系统效率和里程数，并改善 OBC 的效率和体积。，掌握整套的 EliteSiC 设计、制造、封测技术，包括 SiC 晶锭生长、衬底、外延、分立器件和模块等。公司不断投入优化 EliteSiC 器件的沟槽设计、封装技术和制程工艺，并与客户建立联合技术应用实验室，以满足不同的应用需求。
成本取决于半导体的用量。Power Integrations就利用 SiC 器件创新来减少 SiC 的用量，但芯片面积的减少会导致电流密度的增加，这就对封装提出了散热要求。领先的半导体供应商会利用芯片和封装之间的这种协同作用，向市场提供更具竞争优势的产品。
第三代半导体技术的市场动态与未来展望：GaN与SiC的领军角色
在半导体行业中，第三代半导体技术正引领着市场变革，其中氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）作为核心材料，已成为行业的关注焦点。作为这一领域的先锋，Power Integrations和安森美不断推动技术创新和产品研发，致力于满足对高效能半导体器件日益增长的市场需求。
根据Yole的数据显示，第三代半导体的市场渗透率正逐年上升。预计到2023年，SiC的市场渗透率将达到3.75%，而GaN的渗透率也将达到1.0%，使得第三代半导体的总渗透率达到4.75%。
Power Integrations的战略重点是继续推动高电压GaN器件和完全集成的电源解决方案。该公司已经推出了900V的GaN器件，以满足电动汽车传动系统的要求。Power Integrations提供的电源系统集成了高效的驱动器、控制器、保护电路和创新技术，确保设计人员能够快速、高效地实现高性能电源模块，并符合现行及未来的国际电源能效标准。
作为第三代半导体的重要组成部分，SiC显著提升了电动汽车驱动系统、电动汽车充电设施以及能源基础设施的系统效率。随着“双碳”政策的推进，所有电压超过750V的节能减排领域都将逐步采用SiC功率器件，市场前景广阔。目前，安森美正集中于EliteSiC技术在能源基础设施和新能源汽车领域的应用，并已与多家汽车及光伏供应商达成战略合作协议，预计未来三年将实现40亿美元的SiC收入。
Power Integrations预测，从2022年到2030年，SiC功率器件的复合年均增长率（CAGR）将达到33%，主要应用于汽车动力总成和能源基础设施。
综上所述，第三代半导体材料在充电器、电动汽车、光伏储能和充电桩等领域展示了卓越的效率和功率密度。随着技术不断进步、制造成本下降以及市场需求持续增长，第三代半导体的市场渗透率也将不断上升。半导体厂商通过技术创新、优化解决方案和扩展市场等策略，正积极抓住这一领域的机遇。未来，更多新兴应用场景的出现将进一步推动第三代半导体市场的广泛发展和巨大潜力。
