在绿能和智慧化的大趋势下，人类的能源中心从化石能转向更为清洁的电能。伴随着数字化转型的浪潮，全球各个行业电气化的脚步也在加紧，电子系统得到更广泛使用。
大大小小的电子系统都少不了功率组件（包括功率管理IC和功率分离组件：如功率二极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等器件）的身影，与被动组件一起它们为系统各个部件提供稳定可靠和干净的能源。有别于摩尔定律下的数字芯片，每18个月就有一次质变的模式，功率组件在材料、结构、制程方面的进步却是相对缓慢，这固然有市场相对稳定的原因，但主要原因还是功率组件往往需要面对多个性能参数，这些参数的相互影响，在研发中涉及到多个学科和技术，最后还要经过市场验证，这都拉长了功率组件的成长周期。
成熟可靠的MOSFET和IGBT
MOSFET和IGBT是目前最为熟知的功率组件，二者先后诞生于20世纪70年代和80年代，是人们在使用中逐步成熟起来、使用范围最广的功率组件。二者用途可以根据，不同的耐压和耐流性能进行划分，简单说就是MOSFET适合大电流相对低压应用，而IGBT则是具有很强的耐压能力，适合高压和超高压高功率应用场景。
MOSFET : 金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide -Semiconductor Field Effect Transistor）, 诞生于 20 世纪 70 年代，用于将输入电压的变化转化为输出电流的变化，起到开关或放大等作用。可以承受相当大的电流，如KA级别，广泛应用于开关电源（PC、移动设备）,镇流器,高频感应加热；高频逆变焊机；通信电源等等高频电源领域。从MOSFET诞生开始，设计人员就在不断在材料、结构和制造制程方面进行优化调整，从1970年带的平面型到1980年代的沟槽型，以及到1990年代的超结构型，每10年会有一次较大进步。
IGBT：绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor）是由双极型三极管（BJT）和 MOSFET 组成的复合全控型电压驱动式半导体功率组件，诞生于20世纪80年代，具有输入阻抗高，电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，兼有 MOSFET的高 输入阻抗和双极型三极管（BJT）的低导通压降两方面的优点，IGBT 驱动功率小而饱和压降低，非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统，如交流电机、变频器、开关 电源、照明电路、牵引传动等。
虽然IGBT兼具了MOSFET和BJT的很多优点，但是相较于MOSFET，IGBT的开关频率却受限于结构而远低于MOSFET，MOSFET可以轻松实现MHZ级别的开关频率，而传统IGBT器件具有10KHz的开关频率就已经是非常顶级的产品，二者相差了1到2个数量级。而高开关频率的功率器件可以减小电感、电容和变压器体积，开关频率提高10倍，电感量和电容量就可以选小10倍的器件，变压器体积也可以缩减一半以上，大大缩减电源系统成本，同时提升电源转换效率。
因此，对设计人员来说，没有万全的方案来解决选择传统IGBT还是传统MOSFET的问题，而是需要全面考虑使用情况，对一些参数进行取舍，找到合适的功率器件。
超越IGBT和MOSFET的组件----宽隙半导体
既然IGBT和MOSFET各有优劣，那么对功率器件的设计人员来说，在MOSFET和IGBT之外寻找更好的方案就是必然的使命，新的宽带带隙(WBG)材料碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)开始进入设计人员的视野，使用这些材料的组件被业界通称为第三代半导体组件。
图:Si、SiC和GaN 图片来源：Infineon.com
SiC和GaN之功率组件所以被称为第三代半导体器件是因为前面还有一个第二代半导体—GaAs，但是出于制造成本、性能表现、制造制程以及环保因素（As：砷有剧毒），但GaAs材料并未被放弃，在激光器通信，航天以及国防军事用途中有较好表现。
宽隙功率半导体的发展路径大致也是沿着Si功率组件的发展路径，在材料、制造制程、器件结构上不断改进，向更高功率和开关频率的应用场景发起挑战。以商品化的SiC器件为例，四大SiC组件供货商，Cree、Infineon、Rohm、ST从最早的平面栅结构进入沟槽、深沟槽、双沟槽结构，进入第四代SiC组件阶段，这几乎复刻了Si MOSFET的发展路径。其中ROHM在2020年率先发布了收个双沟槽结构SiC MOSFET产品，其他几家的产品也已经陆续出现在Roadmap中。
GaN和SiC材料与传统的硅基功率半导体材料相比有明显的优势。首先，氮化镓半导体目前的目标电压范围为 80V 至 650V，在最高开关频率下提供中等功率。氮化镓和碳化硅半导体在最大功率密度下具有非常高的效率，同时开关损耗都比硅基半导体低。
在相同规格的典型功率组件比较中：传统Si MOSFET组件的导通损耗是SiC MOSFET的8.6倍，是GaN FET的86倍！开关频率方面，SiC MOSFET可以达到Si MOSFET的3~5倍，而Gan FET可以提升10倍之多。临界电场强度方面，SiC，GaN同样10倍于Si基功率组件，在高电场情况下，SiC和GaN可以很好的保持电子迁移。
图:硅与宽能隙功能比较 图片来源：意法半导体
而GaN与SiC功率电子组件差异在于，与氮化镓相比，碳化硅功率半导体具有卓越的栅极氧化物可靠性、出色的易用性，而且非常坚固，采用是垂直晶体管概念，而氮化镓采用的则是横向晶体管概念。
氮化镓和碳化硅为应用解决方案领域带来了不同的优势。例如，碳化硅在高温高压应用中表现优异，如大功率串式逆变器。就高温能力而言，较低的温度系数和高阻断电压能力最能满足应用需求。
在终极功率密度方面，氮化镓更胜一筹。这在结构体积非常有限的应用中尤其如此，例如数据中心的开关电源，因为在特定的空间内，功率水平会增加。这种情况下，效率和高开关频率的结合将应用推向了其他技术难以企及的新水平。
图:GaN与SiC应用范围 图片来源 :Infineon
从功率组件应用范围示意图中，可以非常清晰的看到，SiC和GaN在高功率和开关频率更高的应用场景超越了传统的SiC产品。其中在输电、工业、轨道交通、白色家电、新能源汽车领域，SiC组件具有广泛的应用前景，而GaN组件则是在计算中心，物联网、消费电子和通信基站的射频系统中可以发挥更多优势。
SiC与传统IGBT混合？
除SiC MOSFET和GaN FET组件，还有研究人员在想办法将SiC和传统IGBT结合起来，从而让传统IGBT扬长避短。ROHM就进行了尝试，在2021年7月推出的内建SiC萧特基二极管的IGBT（Hybrid IGBT）「RGWxx65C系列」，ROHM宣布新产品成功降低了传统IGBT产品导通时导通损耗。这一系列产品使用在车电充电器时，与传统IGBT产品相比，损耗可降低67%，与SJ-MOSFET相比，损耗可降低24%，有助以更高的CP值进一步降低车电和工控装置应用的功耗。
图:ROHM Hybrid IGBT RGWxx65C系列 图片来源：ROHM
也有不同的声音，意法半导体汽车和离散组件产品部（ADG）暨功率晶体管事业部策略营销、创新及重点项目经理Filippo Di Giovanni认为：基本上有两个技术导致IGBT与新材料碳化硅结合没有引起业界的兴趣。
Filippo Di Giovanni认为：“第一个原因是根据定义IGBT没有体漏二极管，这是一个限制性因素。另一个技术原因与IGBT的结构是双极晶体管有关。双极开关行为取决于电子空穴的复合过程，这会降低开关速度，碳化硅被采用的主要原因是开关频率较高。而IGBT潜力有限。因此，我们看到的主要是学术界对这个领域感兴趣，而产业界兴趣索然。“
功率半导体需求持续扩大
在全球各国承诺降低碳排放，提升光伏、风电等清洁能源比例，最终实现碳中和这一目标的大趋势下。电力系统、交通运输、5G通信基站、物联网、数据中心、家电、照明、消费电子产品中等大量应用场景中，功率器件的推陈出新正在驱动能源转换向更节约和高效的方向前进，展现更多商业价值。
“仅就工业领域来说，如果能将电力利用效率提升1%，就能节省95.6亿千瓦时（TWh）的能源。这意味着我们节省了15个核电站的发电量、减排3200万吨二氧化碳，或者是数千桶的石油。”意法半导体汽车和离散组件产品部（ADG） 执行副总裁暨功率晶体管事业部总经理Edoardo MERLI说。
统计数据显示，2020年，全球功率半导体的市场规模在430亿美元上下，其中汽车占比35%、工业占比27%，消费电子约占13%。2021年，中国功率半导体市场将达到218.8亿美金。预计到2024年中国功率半导体市场将达到248.6亿美元。新能源汽车、绿色能源以及工业应用正在推动包括中国在内的全球各地功率半导体市场快速成长。预计2024年年全球功率半导体市场将达到623亿美元规模。
OMIDA的数据显示，全球新能源车用市场的IGBT市场的年复合增长率接近30%，预计到2024年将达62亿美元的规模，其中中国26亿美元，是IGBT市场增长的最大动力。IGBT及模块主要应用在新能源车的逆变器中，占电控系统50%的成本，约占整车成本的13%。Infineon、三菱、富士电机、安森美、东芝、ST等是其中主要供货商。
同时，MOSFET在汽车应用中的年符合增长率也超过5%以上。
第三代宽隙半导体功率组件CAGR达到48%
随着制程改进，产能扩充，良率提升第三代宽隙半导体功率组件开始逐渐为市场接受。根据Trendforce的数据，SiC、GaN功率组件的市场规模将从2021年的10亿美元，成长到2024年47亿美元左右，其中SiC器件年复合增长率接近38%，真正进入了进入高速成长阶段。
2018年，Tesla率先在量产车中使用了SiC逆变器，2020年BYD也首次将SiC器件使用在“汉”系列车型中，Infineon宣布已有超过20家的整车厂和Tier 1客户正在验证其SiC产品。在工业和轨道交通中，SiC MOSFET更轻、更省电、发热更低的特性得到认可，日本新干线N700S已经率先在牵引变流器中使用碳化硅功率器件，大幅降低整车的重量，实现更高的运载效率和降低运营成本。
由于GaN可提升行动装置等消费性设备等的充电头以及电信设备的电源供应器的功率密度，同时提升能源转换效率并降低二氧化碳排放，亦将成为驱动GaN 市场起飞的主要应用。根据Yole的市场调查报告，至2026年，GaN的应用市场产值将达10亿美元。
5G市场、LiDAR以及快速充电产品的普及为GaN打开了市场大门。
图:华为超级快充 GaN多口充电器 图片来源:huawei.com
在5G基站的Massive MIMO应用中，基站收发信机上使用大数量（如32/64/128个）的数组天线来实现更大的无线数据流量和连接可靠性，这种架构需要相应的射频收发单元数组配套，因此射频组件的数量将大为增加，使得组件的尺寸大小很关键。利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特点可实现高集化的解决方案，如模块化射频前端器件。
图:通信基站广泛使用了GaN射频前端 图片来源:Infineon
除了基站射频收发单元陈列中所需的射频组件数量大为增加，基站密度和基站数量也会大为增加，因此相比3G、4G时代，5G时代的射频组件数量可能要多上百倍。在5G毫米波应用上，GaN的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。因此5G基站的普及为GaN功率组件打开了新的市场空间。大量新建的基站设备开始使用集成了GaN组件的射频前端模块。
英飞凌电源与感测系统事业部大中华区资深协理陈清源
“英飞凌的CoolGaN 600 V e-mode HEMT，已助力台达电DPR 3000E EnergE通讯电源供应系统的整流器实现领先业界的98％能源效率和出色的功率密度，为全球顶尖电信业者新一代5G电信网络提供强力后援。此外，数字元元元化的脚步加速，使得服务器的数量激增，连带对于电源需求也不断上扬。英飞凌 CoolSiC MOSFET 650V 也打入光宝科技的服务器电源供应器，打造符合北美80 PLUS计划最高效率钛金认证要求的产品 (80 PLUS钛金认证: 在50%负载下，115V输入电压需达到94%效率，另外在230V电压下则需达到96%效率。)” 英飞凌电源与感测系统事业部大中华区资深协理 陈清源表示
产能仍然面临考验
与其他半导体芯片一样，功率半导体的产能短缺问题也很突出。综合上下游的情况来看，功率器件产能短缺的情况将持续到2023年底。
“碳化硅的确是一种新材料，相较硅材料，确实需要比较新的制程，需要更高的温度，以及其他加工条件。在产出率和制程方面，碳化硅仍然落后于硅。因此，为了提升质量和产量并降低成本，有很多技术都在开发中。未来，成本和质量可能会大幅改善。我们确实认为，如果企业现在能够负担得起，有厂模式确实是一笔巨大的资产，一个很大的优势，因为这种模式能让企业控制主要生产参数，即成本、质量和非常重要的产量。”意法半导体Edoardo MERLI说。
新的挑战者-----氧化镓
在宽隙半导体的名单中，并非只有SiC和GaN两种材料，比它们具有更宽禁带的Ga2O3早已进入实验室，为研究人员制造更高性能的功率半导体组件进行准备。
虽然氧化镓的导热性能较差，但其带隙（约4.8 eV）超过SiC（约3.4eV），GaN（约3.3eV）和Si（1.1eV）的带隙，这意味着这种材料在作为功率组件时，在散热、耐温性能上将有突出表现。
2012年日本信息通信研究机构（NICT）等研究小组使用Ga2O3试制了“MESFET”（metal-semiconductorfield effect transistor，金属半导体场效应晶体管），试制品显示出了耐压高、漏电流小的特性。布法罗大学（UB）工程与应用科学学院电气工程副教授Uttam Singisetti博士和他的学生制造了一个厚度为5微米、由氧化镓制成的MOSFET。按照这位教授的说法，氧化镓材料可以在改善电动汽车、太阳能和其他形式的可再生能源方面发挥关键作用，能开辟现有半导体无法实现的新可能性。
目前确认的Ga2O3的结晶形态确认有α、β、γ、δ、ε五种，其中，β结构最稳定，也是目前研究阶段重点关注的领域。距离最终的商品化功率器件，氧化镓仍然有很多问题需要克服，但是快速成长的第三代宽隙半导体市场可能为其注入更多动力，我们也期待功率器件市场能够迎来更强大的新生力量，为绿色地球尽一分力量。
