報(bào)道，早在2020年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議上，明確將“碳達(dá)峰”與“碳中和”列為2021年八項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)之一，而隨著“碳中和”、“碳達(dá)峰”的火熱討論，綠色用電、高效發(fā)電顯得至關(guān)重要。在此背景下，業(yè)內(nèi)人士紛紛認(rèn)為，具備可提升能源轉(zhuǎn)換效率特點(diǎn)的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入發(fā)展快車道。

能源轉(zhuǎn)換優(yōu)勢(shì)明顯

第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長于坤山指出，“碳中和”、“碳達(dá)峰”的戰(zhàn)略決策意義非常重大，而節(jié)能減排則是核心工作之一。國家提出要建立以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，因此新能源的占比將會(huì)持續(xù)快速增加，而在新能源發(fā)展中，將會(huì)以工業(yè)半導(dǎo)體特別是第三代半導(dǎo)體作為主要的支撐。

毫無疑問，以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料具備耐高溫、耐高壓、高頻率、大功率、抗輻射等優(yōu)異特性，相對(duì)硅基功率器件而言，碳化硅或氮化鎵器件在5G基站、新能源汽車、特高壓、數(shù)據(jù)中心等場景都有著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

從節(jié)能減排的角度來看，功率半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步的主要方向是提高能源轉(zhuǎn)換效率（減少能源損耗），而第三代半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)就是能大大提高能源轉(zhuǎn)換效率，降低損耗。

以碳化硅為例，碳化硅具有2倍于硅的飽和電子漂移速率，使得碳化硅器件具有極低的導(dǎo)通電阻，導(dǎo)通損耗低；碳化硅具有3倍于硅的禁帶寬度，使得碳化硅器件泄漏電流比硅器件大幅減少，從而降低功率損耗；碳化硅器件在關(guān)斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開關(guān)損耗低，大幅提高實(shí)際應(yīng)用的開關(guān)頻率。

據(jù)羅姆數(shù)據(jù)顯示，相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET和硅基MOSFET相比，導(dǎo)通電阻降低為1/200，尺寸減小為1/10；相同規(guī)格的使用碳化硅基MOSFET的逆變器和使用硅基IGBT相比，總能量損失小于1/4。

“硅基半導(dǎo)體目前從架構(gòu)、可靠性、性能的提升等方面，基本上已經(jīng)接近了物理極限。”英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場總監(jiān)程文濤表示，英飛凌預(yù)計(jì)在未來幾年的兩代產(chǎn)品中就將接近硅的物理極限，而第三代半導(dǎo)體將接棒硅基半導(dǎo)體，持續(xù)降低導(dǎo)通損耗，在能源轉(zhuǎn)換的領(lǐng)域作出貢獻(xiàn)。

限制因素卻依舊存在

在此情況下，無論國內(nèi)國外，幾乎所有從事功率半導(dǎo)體的廠商都向第三代半導(dǎo)體發(fā)力，政策、資本也全聚焦于此。

不過，業(yè)內(nèi)人士表示，硅基半導(dǎo)體基于價(jià)格、可靠性等優(yōu)勢(shì)仍將是市場主流，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受限于工藝、成本、可靠性等因素，應(yīng)用場景有限，現(xiàn)階段整體市場規(guī)模較小，未來發(fā)展?jié)摿^大，但仍有較多技術(shù)難點(diǎn)需要克服。

據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，2020年，碳化硅和氮化鎵功率半導(dǎo)體的全球市場約8.54億美元，SiC電力電子市場規(guī)模約為7.03億美元，GaN電力電子市場規(guī)模約為1.51億美元。而2020年全球功率半導(dǎo)體器件市場規(guī)模為180億美元至200億美元。換算來看，2020年碳化硅和氮化鎵器件僅占整個(gè)功率半導(dǎo)體器件市場的4.2%至4.5%，整體滲透率并不高。

當(dāng)然，第三代半導(dǎo)體是一個(gè)增量市場，這就代表各大廠商可以從廣大的應(yīng)用場景中尋找增長空間。

程文濤直言道，從性價(jià)比的角度來說，在非常寬的應(yīng)用范圍中，硅基半導(dǎo)體目前依然是不二之選。第三代半導(dǎo)體目前在商業(yè)化上的瓶頸就是成本很高，雖然在迅速下降，但依然遠(yuǎn)高于硅基半導(dǎo)體。

筆者從業(yè)內(nèi)了解到，目前碳化硅器件與IGBT器件的價(jià)格會(huì)有3-5倍的差異，成本增加明顯，但整體性能提升并不足以覆蓋這部分成本，這也是高端汽車成為碳化硅器件率先突破的應(yīng)用場景原因所在。

另一方面，作為一種新材料，第三代半導(dǎo)體的失效模式還需不斷探索，可靠性也需要驗(yàn)證。

早在前幾年，一些國際大廠就開始推碳化硅應(yīng)用在光伏、電動(dòng)汽車、特高壓、5G通信、服務(wù)器等領(lǐng)域的解決方案，從系統(tǒng)的角度將二者成本拉近，但很顯然碳化硅器件是從應(yīng)用在特斯拉model 3的汽車逆變器上，才逐漸進(jìn)入發(fā)展快車道，而其他領(lǐng)域市場還需要慢慢突破，目前英飛凌、意法半導(dǎo)體、羅姆、科銳、安森美等國際大廠將更多資源傾向了新能源汽車領(lǐng)域。

現(xiàn)階段，絕大多數(shù)汽車都開始接受碳化硅器件，但新能源汽車應(yīng)用的火爆也導(dǎo)致碳化硅市場供不應(yīng)求，缺貨的情況較為明顯，而供貨不穩(wěn)定也將成為限制其市場增長的因素。

氮化鎵方面，相對(duì)于碳化硅已經(jīng)有接近30年的發(fā)展史，氮化鎵進(jìn)入電力電子領(lǐng)域的時(shí)間不長，是去年從應(yīng)用在快充領(lǐng)域才逐漸打開市場。

事實(shí)上，從氮化鎵的高成本來說，快充并非是引爆氮化鎵器件商用的最佳選擇，因?yàn)橄M(fèi)電子領(lǐng)域理應(yīng)對(duì)價(jià)格異常敏感。

程文濤指出，氮化鎵器件誕生已經(jīng)非常久，但在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的商用規(guī)模卻還不夠大，導(dǎo)致其潛在的可靠性問題不能快速暴露出來，就無法驗(yàn)證其可靠性，而手機(jī)快充就成為市場驗(yàn)證氮化鎵器件可靠性的最佳選擇，當(dāng)市場通過大規(guī)模應(yīng)用的方式把這種新材料的可靠性驗(yàn)證完畢，其他領(lǐng)域才能放心使用。

從目前的產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r來看，相對(duì)于硅基半導(dǎo)體，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展還不夠成熟，核心技術(shù)僅掌握在少數(shù)幾家企業(yè)手中，應(yīng)用市場對(duì)其可靠性、產(chǎn)能和質(zhì)量保障等方面均有顧慮，而成本仍將是市場應(yīng)用的主要限制因素。雖第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展未來可期，但更多應(yīng)用市場還需逐步開拓，前路漫漫。（GY）

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