硅极限逼近！全面解读第三代半导体IDM与Foundry模式、应用市场与价格走势

温室气体排放量主要来自能源，而电力占到世界能源消耗总量的约三分之一。全球走向碳中和，能带来省电效果的第三代半导体无疑是一大重点。

在日前举办的 EEVIA 第九届年度中国电子 ICT 媒体论坛暨 2021 产业和技术展望研讨会上，英飞凌电源与传感系统事业部市场总监程文涛围绕第三代半导体的低碳、高效特性分享产业洞见。

目前市场的主流观点是，第三代半导体并非为取代硅基半导体而来，“第三类半导体”或许是最恰当的称呼。然而，却有一些成立之初就做第三代半导体的公司，将取代硅基半导体作为企业发展愿景。

程文涛提出的观点是，在可见的未来，第三代半导体的替代愿景难以实现，因为在价格方面追平也仍需时日。再者，目前市面上有一些接近硅基半导体价格的三代半产品，实际上是以“催熟市场”为目的的商业行为，并不代表成本已经降了下来。

当前第三代半导体制造以 IDM 为主流，市场关注专业代工 Foundry 厂在未来会否有机会？针对这一热点问题，程文涛在问答环节给出回应。

他分析，这可分为碳化硅和氮化镓两方面来探讨。首先，碳化硅要求在碳化硅上长晶，由于碳化硅耐高温、硬度高，制备和加工难度高、损耗大，主要是一些 IDM 厂商在做，且可以预见，长期内门槛更高的碳化硅还将以 IDM 为主。

在氮化镓方面，主要是借助硅基氮化镓技术，门槛较低，可以由 Foundry 和Fabless（IC设计公司）相结合，不过要做到高可靠性和高良率非常困难。

立足汽车电子领域，英飞凌大力发展第三代半导体

英飞凌是全球十大半导体公司之一，设有汽车电子、电源与传感系统、工业功率控制及安全互联系四大部门。能源效率、移动出行、安全以及物联网和大数据为推动半导体产业成长的四大领域，英飞凌的产品均所有涉及。

就细分市场来看，英飞凌在汽车电子和功率半导体领域稳居全球市场首位，在微控制器市场则位列全球第三名。

据程文涛介绍，英飞凌为电力产业链的每个环节提供半导体，其中包括可再生能源、稳定高效用电及高效用电。由于电力损耗量惊人，公司的第三代半导体产品从这里切入，为碳中和目标做出自己的贡献。

程文涛重点提及，以第三代半导体材料为基础的功率器件在性能上延续上一代半导体，在阳光能源、数据中心、5G 等市场的应用值得期待，价格上更有望在未来降低。

不过，当前市场上出现了一些低价产品，其实是用以提升第三代半导体产品市场渗透率的商业行为，而非成本降低所致。 

制造模式方面，氮化镓难度较低可借助专业的晶圆代工厂，而碳化硅器件门槛较高，长期内仍将以 IDM 模式为主流。

第三代半导体助力功率器件省电到极致

国际能源署的数据显示，当前温室气体排放量的三分之二来自能源部门，全球能源需求的三分之一左右是用电需求。与此同时，发电等环节的能源损耗量可观，能效正成为全球气候目标的重要杠杆。

程文涛来自的电源与传感系统的事业部重点为用电，产品主要为以 Mos 管为代表的功率半导体及传感器，着重在电能转换使用的过程中尽量减少损耗。

值得注意的是，电源转换在能效方面扮演关键地位，如何用很少的器件做到很高效率，关键就在于能源转化。在能源转换当中，第三代半导体就能发挥显著作用。

程文涛表示，碳化硅和氮化镓二者的性能和产业链不同，但提高能源效率可视作二者的共同功能。碳化硅以高功率、高电压为突出特征，可视作金刚石；氮化镓具备最高开关频率特征，适用于快充等超高频器件。

由于硅基半导体性能正接近物理极限，不管 Mos 管做多好，都无法继续降低导通损耗。

以英飞凌为例，预计在未来几年的两代产品中就将接近硅极限，接下来需要以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体材料接棒，沿着降低导通损耗这条路一直往下走。

“消费者已经在和第三代半导体打交道了。”程文涛如此形容。因被写入十四五规划而陡然升温的第三代半导体，其实早已走入人们的生活。

当前国内基站射频功放已普遍采用氮化镓，以及特斯拉自 Model 3 开始采用碳化硅器件，成为碳化硅在功率转换领域大量采用的标志性事件。

除了提升能效，将器件做得更小也是第三代半导体材料的突出优势。

以手机快充为例，功率在上百瓦等快充可以做到激光笔大小，就是因为借助了氮化镓这一材料。 5G 基站带宽高，每个器件覆盖范围小，这一市场也因需要更多器件，以缩小模块体积为产品目标之一。

同样围绕第三代半导体材料的应用，有个疑问是不少人的相同困惑：为何对价格较为敏感的消费级快充产品却率先采用第三代半导体？

程文涛对此解释道，如果第三代半导体商用规模不够大，可靠性问题则不足以暴露，将之应用于手机快充市场，可以首先验证材料可靠性。未来，市场也将在工业等领域看到更多应用。

同样是基于三代半材料做功率器件，英飞凌的产品有何差异点？

程文涛称，英飞凌的产品主要在结构设计上做差异化。比如，碳化硅采用的沟槽式结构，解决了大多数功率器件所面临的可靠性问题。许多产品难以在效率和长期可靠性上取得平衡，沟槽式则可以较好应对。

用电大户：阳光能源、5G、数据中心是第三代半导体目标

着眼于终端市场，程文涛重点介绍了第三代半导体在阳光电源、数据中心及 5G 领域的应用前景。

作为排名第一的可再生能源发电半导体供应商，英飞凌十分看好太阳能发电。

减碳目标的实现离不开可再生能源。据国际能源署预测，到 2025 年，全球可再生能源发电有望超过燃煤发电。从投资来看，可再生能源发电投资迅速恢复，越来越大的比例用于电网的电力系统现代化和数字化建设。

数据中心是用电大户，国内外云厂商电力消耗量巨大并由此产生大额电费。程文涛指出，应用第三代半导体技术后，能源效率会朝着 98% 走。只要提升一点点，就能极大降低成本，因此数据中心市场会率先采用第三代半导体产品。 

另一个重点市场是 5G，由于 5G 要求重新规划网络，以优化网络基础设施能耗。数据流量和处理这些数据所需的用电量迅猛增长，使得基站运营商迫切需要节省电费。

推进新技术产业化，成本会是重要观察点。借助规模经济、缺陷密度和产量的提高，以及新一代的技术升级，将使得宽禁带功率半导体组件（WBG）价格迅速下降。

在今年，氮化镓和碳化硅价格相似，但都明显高于硅。英飞凌预测，WBG最初的价值来自于性能提升，而随着价格下降，某些设计的系统成本将接近于硅的设计。

程文涛补充，高频领域很快就能看到爆发性增长，而在能源转换方面，电动车可能看到放量。其他应用在日常生活还是比较少见，其阻力主要为价格成本及可靠性。