“碳中和”，第三代半導體未來可期

作者：張依依來源：中國電子報、電子信息產業網

為應對氣候變化，我國提出，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現“碳中和”。 可提升能源轉換效率的第三代半導體產業正在開啟發展加速度，有望成為綠色經濟的中流砥柱。目前，第三代半導體的觸角已延伸至數據中心、新能源汽車等多個關鍵領域，整個行業漸入佳境，未來可期。

以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)為代表的第三代半導體具備耐高溫、耐高壓、高頻率、大功率等優勢，相比硅器件可降低50%以上的能量損失，并減小75%以上的裝備體積，是助力社會節能減排并實現“碳中和”目標的重要發展方向。“碳中和”趨勢浪潮下，可提升能源轉換效率的第三代半導體產業正在開啟發展加速度，有望成為綠色經濟的中流砥柱。

在第三代半導體產業景氣上升之際，很多企業都對此領域青睞有加，展開資本布局。近期，聞泰科技全資子公司、全球功率半導體領先企業——安世半導體宣布與國內汽車行業龍頭公司聯合汽車電子有限公司（簡稱UAES）達成合作。雙方將在功率半導體氮化鎵（GaN）領域展開深度合作，滿足未來新能源汽車電源系統對技術不斷提升的需求，并共同推動GaN工藝技術在國內汽車市場的研發和應用。

安世半導體相關人員對第三代半導體在新能源汽車領域的應用前景表示看好：“新能源汽車電源系統有望在未來主導半導體器件持續增長的市場需求，硅基氮化鎵場效應晶體管的功率密度和效率將在汽車電氣化應用中發揮關鍵作用。”

也是在最近，隸屬于博世集團的羅伯特·博世創業投資公司（RBVC）已完成對基本半導體的投資。資料顯示，基本半導體是中國領先的碳化硅功率器件提供商之一。博世集團幾日前在德累斯頓建設車用半導體芯片廠來生產車用傳感器芯片，此次對基本半導體的投資也預示其有意在第三代半導體領域進一步涉足。

除資本加持外，在第三代半導體的研發和生產方面，國內企業也進展頻頻：三安光電位于湖南的首個第三代半導體芯片廠房已順利封頂，預計今年6月試投產；露笑科技已于近期實現6英寸碳化硅襯底片試生產，另公司自主研發的碳化硅長晶爐已實現銷售，下游客戶已陸續投產；海特高新硅基氮化鎵產品已實現規模出貨，公司的客戶主要為芯片設計公司和模組公司。

值得一提的是，三安光電此前早已推出了6英寸SiC晶圓代工制程，2020年初，該公司的氮化稼產能已達2000片/月，2020年年底已完成碳化硅MOSFET器件量產平臺的打造。

政策方面，上海臨港新片區近日發布了集成電路產業專項規劃（2021-2025）。規劃中提出，推進6英寸、8英寸GaAs、GaN和SiC工藝線建設，面向5G、新能源汽車等應用場景，加快化合物半導體產品驗證應用。

應用場景觸及“碳中和”關鍵領域

近年來，第三代半導體成為行業新風口。受疫情后期汽車、工業和移動通信等行業市場需求反彈因素推動，再加上“碳中和”概念倡導及相關政策支持，2021年，第三代半導體的成長動能有望持續上升。根據TrendForce集邦咨詢方面最新預測，2021年，GaN功率器件的成長力道最為明顯，預估其今年市場規模將達6,100萬美元，年增長率高達90.6%。

在市場規模日漸擴大的情況下，第三代半導體的應用場景正在不斷拓展，目前已經從半導體照明等小批量應用走向了包括數據中心、新能源汽車等更廣闊的市場。

第三代半導體產業技術創新戰略聯盟秘書長于坤山肯定了新興市場對第三代半導體產業發展提供的助力。他表示，以5G、新能源汽車、能源互聯網、消費類電子、新一代顯示、紫外等應用市場啟動為契機，已經完成第三代半導體布局并實現產業化的企業和地區將首先收獲成果。

應用于數據中心領域的第三代半導體可以大幅減少電能的消耗。公開資料顯示，一個大型數據中心機房一年的耗電量相當于一個中等城市的用電量。在耗電量如此巨大的情況下，如果使用第三代半導體芯片來控制電源，相比于硅芯片可以省下大量電力。開源證券研究所副所長兼電子首席研究員劉翔告訴《中國電子報》記者，隨著“碳中和”進程加快，化石能源將逐步被其他電力能源取代。無論是電力的傳輸還是控制，都需要第三代半導體來實現。“第三代半導體的效率更高，能工作的電壓范圍更大，所以用量肯定是非常大的。”他說。

以第三代半導體的典型應用場景——新能源汽車為例，根據福特汽車公開的信息，相比于傳統硅芯片（如IGBT）驅動的新能源汽車，由第三代半導體材料制成芯片驅動的新能源汽車，可以將能量損耗降低5倍左右。 

作為第三代半導體的代表，碳化硅技術的應用與整車續航里程的提升也有著緊密的聯系，第三代半導體材料在提高能效、電源系統小型化、提高耐壓等方面的性能已經達到了硅器件無法企及的高度。小鵬汽車動力總成中心IPU硬件高級專家陳宏表示，相比硅基功率半導體，第三代半導體碳化硅MOSFET具有耐高溫、低功耗及耐高壓等特點。采用碳化硅技術后，電機逆變器效率能夠提升約4%，整車續航里程將增加約7%。

目前第三代半導體的觸角延伸到了5G、新能源汽車等多個關鍵市場，劉翔認為，碳化硅的原材料——長晶的培育有望成為國內第三代半導體市場的突破口。

長晶的生產難度較大，長晶的源頭——晶種很難獲取，而且要求極高的純度。另外，長晶生產過程中對溫度和制程的要求很高，生產時間也比較長。碳化硅長一根晶棒需耗時2 周，但成果可能僅3公分，量產難度很大。基于此，劉翔認為，我國有必要提升對長晶培育環節的重視程度。

除長晶培育外，如何打破國外企業對碳化硅市場的壟斷也是亟待解決的問題之一。安芯基金首席戰略官周貞宏表示，現階段，高速發展的碳化硅材料市場被國際巨頭壟斷，國產碳化硅基材僅占全球市場的2.2%。全國政協委員王文銀也指出，目前國內第三代半導體行業內的高端產品多為進口，先進入市場的全球巨頭已經建立了自身的朋友圈與護城河。

針對如何打破國外企業對碳化硅市場的壟斷，西安電子科技大學教授張玉明向《中國電子報》記者表示，我國還需提高碳化硅晶圓的尺寸和質量，制造工藝柵界面調控技術還需加強，成品率也需進一步提升。