【导读】近年来，碳化硅、氮化镓等第三代半导体材料在新能源汽车、5G通讯、光伏储能等终端应用市场尽显风光。随着新兴应用技术的快速迭代，市场对功率元件效能需求日益增强，第三代半导体随之水涨船高。
TrendForce集邦咨询表示，虽受俄乌冲突与疫情反复影响，消费电子等终端市场需求有所下滑，但应用于功率元件的第三代半导体在各领域的渗透率仍然呈现持续攀升之势，800V汽车电驱系统、高压快充桩、消费电子适配器、数据中心及通讯基站电源等领域的快速发展，推升了2022年碳化硅/氮化镓功率半导体市场需求。
另外，据TrendForce集邦咨询研究，随着越来越多车企开始在电驱系统中导入碳化硅技术，预估2022年车用碳化硅功率元件市场规模将达到10.7亿美元，至2026年将攀升至39.4 亿美元。
目前第三代半导体已然成为了高科技领域最热门的话题之一，据TrendForce集邦咨询研究推估，第三代功率半导体产值将从2021年的9.8亿美元，至2025年将成长至47.1亿美元，年复合成长率达48%。
可见，未来第三代半导体市场蕴藏着巨大的机遇，而这也正是众多企业瞄准第三代半导体领域疯狂进击的原因之一。
第三代化合物半导体提供更多选择
第三代化合物半导体-碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）两种材料兴起，有助解决传统硅基元件遭遇的困境。第三代化合物半导体具备耐高温、耐大电压、快速作动等特性，可以广泛应用于高功率、高频和高温电子电力系统，如电动车及电动车充电设备、大型风力发电机、太阳能板逆变器、资料中心、手机快充、太空卫星、行动基地台等领域。
碳化硅（SiC）最大的优势在于高温与高崩溃电压耐受力；氮化镓（GaN）的稳定性高，熔点高达1700度，除了稳定性、耐高温、耐高压等优势，同时拥有良好的导电性与导热性，多应用于变压器和充电器等领域，如需要较大电压的笔电、平板，以及需要较小电压的手机和手表充电产品，能有效缩短充电时间。氮化镓（GaN）元件的切换速度是硅基元件的10倍以上，相较于Si，更适合高频率、高效率的电子产品，包含5G产品。
随着2050年净零碳排（Net Zero）目标逼近，各国在交通政策与产业推动上都朝燃油车电气化的方向迈进，带动整体电动车产业。碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN）能同时应用于汽车产业，尤其碳化硅（SiC）在车载领域及可靠性上更具优势，在电动车的系统应用方面主要包含逆变器、车载充电器（OBC）及直流变压器等。相较于传统硅基模组效能，碳化硅（SiC）可减少约50%的电能转换损耗，降低约20%的电源转换系统成本，提升电动车约4%的续航力。
龙头大厂带动第三代半导体产能
电动车的充电设备及充电基础设施都需要更高效能的元件。林若蓁指出，碳化硅（SiC）元件市场主要由汽车产业主导，比方特斯拉（Tesla）电动车款Model 3率先应用意法半导体生产的SiC MOSFET，带动多家电动车厂商导入SiC材料。Model 3驱动逆变器（Traction Inverter）部分舍弃传统绝缘栅双极电晶体（IGBT），率先引入碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效电晶体（MOSFET），开启全球第三代半导体扩产潮。至于氮化镓（GaN）功率元件市场则由消费性产品（如手机快充）、电信/通讯（如数据中心、太空卫星通讯）及汽车产业（如电动车内较小电压的DC-DC converter）所带动。
Yole Developpement研究机构报告指出，2020-2026年采用碳化硅（SiC）作为功率半导体材料的市场规模成长至45亿美元，氮化镓（GaN）功率半导体市场规模达11亿美元。预估2027年碳化硅（SiC）功率元件市场规模可达63亿美元，氮化镓（GaN）功率元件市场可达20亿美元；2021-2027年，整体氮化镓（GaN）功率元件市场的复合年成长率（CAGR）为59%，碳化硅（SiC）功率元件市场的复合年成长率（CAGR）为34%。除了消费性电源大量采用氮化镓（GaN）功率元件，氮化镓（GaN）功率元件导入资料中心、电信设备电源的速度也愈来愈快。
知名业者如氮化镓（Gan）功率IC龙头纳微半导体（Navitas）、美商Transphorm积极与半导体代工厂结盟，抢占市场，至于碳化硅（SiC）以IDM为主，重量级业者包含英飞凌（Infineon）、意法半导体（STMicroelectronics）、罗姆半导体（Rohm）等，其中，意法半导体同时跨足碳化硅（SiC）、氮化镓（Gan）领域；英飞凌、安森美半导体（onsemi）则拥有Si、SiC、GaN三种功率技术。
SiC 和 GaN 的最佳甜蜜点
GaN Systems 首席执行官 Jim Witham 也将 SiC 和 GaN 世界归类为分别适用于高功率、高压和中功率、中压应用。 “GaN 半导体通常跨越 50 V 至 900 V，而 SiC 器件服务于 1,000 V 以上的应用。” 他还指出，硅仍然是低功耗、低电压应用的可行选择，适用于低于 40 V 至 50 V 的电源设计。
在解释每种半导体技术与需求相匹配的领域时，Witham 表示，在功率水平方面，硅适用于 20 W 及以下的应用，GaN 适用于 20 W 至 100 kW，SiC 适用于 100 kW 至 300 kW 及以上。 “硅、GaN 和 SiC 分别有甜蜜点，但在边缘存在一些竞争。”
他还认为 SiC 在服务于汽车——尤其是电动汽车 (EV) 的牵引逆变器——以及高能电网以及风能和太阳能方面表现突出。 他补充说，对于 GaN 晶体管，手机和笔记本电脑的移动充电器已经出现，而数据中心电源才刚刚起步。 对于未来，Witham 认为 GaN 半导体将在车载充电器 (OBC) 和电动汽车 DC-DC 转换器等汽车领域大放异彩。
在拉斯维加斯举行的 CES 2023 上，GaN Systems 在 Canoo 的 7.2 kW OBC 中展示了 GaN，Canoo 是一家为沃尔玛和美国陆军提供车辆的电动汽车公司。这家总部位于加拿大渥太华的 GaN 半导体解决方案供应商还展示了 Vitesco 的基于 GaN 的 DC-DC 转换器，该转换器在 800 V 电池总线架构中运行。它获取电池电压并将其更改为适合低压辅助电路（如挡风玻璃刮水器和门锁）的电压。
8吋碳化硅晶圆成为兵家必争之地
看好第三代半导体未来发展，各大厂布局动作频频，如英飞凌今年2月宣布，投资20亿欧元提升第三代半导体的制造能力；安森美半导体宣布，2024年起碳化硅年销售额将达10亿美元，同时计划2025年前将碳化硅前道工艺?能扩大到目前的10倍以上，据传安森美与特斯拉已达成碳化硅（SiC）长期协议。
氮化镓功率半导体全球领导者GaN Systems指出，全氮化镓车辆有助改善全球暖化问题，提早达成净零碳排目标。电动车的逆变器可将电池中的直流电转换为交流电，使用GaN晶体管可获得更高的能源效率，行驶里程延长5%以上。有鉴于GaN Systems产品应用在消费电子、电动汽车、数据中心和工业电源等领域日益广泛，今年2月GaN Systems宣布，扩大3倍台湾的营运团队规模。
市场预估，未来8吋晶圆及基板可能成为兵家必争之地。除了沃孚半导体、罗姆半导体、Ⅱ-Ⅵ已推出8吋碳化硅基板，英飞凌、意法半导体、安森美等大厂也积极布局8吋碳化硅晶圆产线。
来源：贤集网
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