第三代半導體能否引領電子晶片業的一次革新？

寬禁帶半導體材料突破原有半導體材料在大功率、高頻、高速、高溫環境下的性能限制，在5G通訊、網際網路、新能源、電子資訊產業等前沿領域發揮重要作用。在摩爾定律遇到瓶頸，“中國製造2025”的大背景下，寬禁帶半導體材料的發展前景不可限量。

01 什麼是寬禁帶半導體材料

隨著4G、5G通訊的迅速發展、同時人類生產生活科技化與資訊化程度越來越高，電子資訊技術產業在近幾十年呈現迅速發展態勢。而在技術迅猛發展的背後，是半導體材料的三次重要階段性發展。第一代半導體材料以硅（Si）和鍺（Ge）為代表，已在積體電路、航空航天、新能源和硅光伏產業中得到廣泛應用並取得了卓越成效，目前仍是半導體產業的主流。隨後，以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表的第二代化合物半導體材料因其在高頻、高效率和低噪聲指數等方面遠超於Si，被廣泛應用於微波毫米波器件以及發光器件中，主要用於製備高頻、高速、大功率和發光電子器件。然而，隨著未來電子器件在更高頻率、更高功率和更高整合度等方面的要求，第一、二代半導體材料由於其自身材料固有特性的限制已變得力不從心。

在這種情況下，第三代化合物半導體材料——碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等材料進入了大眾的視線。與前兩代半導體材料相比，寬禁帶半導體材料因其在禁頻寬度和擊穿場強等方面的優勢以及耐高溫、耐腐蝕、抗輻射等特點，非常適合更小體積、更輕重量、更高效率、更大功率的電子電力器件製備，在無線基礎設施、軍事和宇航、衛星通訊和功率轉換等高頻、高溫、高功率工作領域有著顯著的優勢，是5G移動通訊、新能源汽車、智慧電網等前沿創新領域的首選核心材料和器件，已成為當今世界各國爭相研究的科研熱點和重點。從目前來看，研究較為成熟的是SiC和GaN材料。

02 SiC和GaN寬禁帶半導體材料

SiC為Ⅳ主族中Si元素和C元素組成的化合物，C原子和Si原子以共價鍵的形式連接。SiC的基本結構單元是硅碳四面體，其相互連接形成各種緊密堆積的結構。以碳化硅為典型代表的寬禁帶半導體材料，與常規半導體硅或砷化鎵相比，具有寬頻隙、高飽和漂移速度、高臨界擊穿電場等突出優點，是大功率、高溫、高頻、抗輻照應用場合下極為理想的半導體材料。在實際生產應用中，SiC寬禁帶半導體材料能減少電容數量從而降低器件體積，同時由於其對高結溫具有超高的耐受性，這種耐受性有助於提升功率密度，減少散熱問題。

SiC相圖及製備SiC的物理氣相傳輸（PVT）技術

GaN材料首先得到廣泛應用是在發光器件方面，隨後GaN基高性能MMIC單片微波積體電路）得到了廣泛關注，最近幾年，由於異質外延技術的發展，GaNHEMT（高電子遷移率電晶體）得到了迅速發展。同時，由於GaN基半導體器件具有優異的耐壓、耐熱、耐腐蝕特性，它也是5G晶片應用的關鍵材料。

GaNHEMT結構示意圖

03 國內外企業先進進展

SiC晶片在特斯拉Model3上的初次亮相，讓全球汽車廠商將目光放在了SiC這種全新的半導體材料，在龐大的市場需求推動下，一大批採用這種材質晶片的汽車已經正在路上。其中，由英飛凌製造的SiC晶片已經確定搭載在現代的新款電動汽車上，與配備普通硅晶片的汽車相比，其電動汽車的續航里程可提高5%。

SiC在新能源汽車領域的廣泛應用將為其突破現有的關於電池、能耗與控制系統上的瓶頸，對於整個行業的發展具有積極意義，尤其是在整體成本的控制上，這點從現有的首批採用SiC的汽車特斯拉Model3上已經有所體現。SiC器件在特斯拉Model3上的首次應用也對SiC在汽車行業的發展起到了推動作用，國內外汽車廠商新能源板塊的SiC器件的滲透率已開始逐漸攀升，目前已經應用於特斯拉、比亞迪、蔚來、小鵬等品牌的中高端車型，如比亞迪純電動車車型“漢”、Lucid推出的LucidAir皆採用SiC提高汽車性能，並且，這些汽車公司已經計畫在未來車型中使用更多的SiC分立器件或模組。同時現代、奧迪、大眾、奔馳、通用汽車等傳統車企也開始研發SiC解決方案。Wolfspeed預計2026年的碳化硅器件市場結構中，新能源汽車將佔據52%，其餘射頻、工控與能源將分別佔據33%、16%，與2022年以射頻器件為主的市場結構相比將產生較大變化。

國外進展

Wolfspeed是目前全球最大的SiC襯底製造商，公司成立於1987年，具有30餘年的碳化硅生產經驗，近年來，公司發展戰略不斷髮生變化，最終將碳化硅業務作為公司未來的主營業務，並於2021年10月將公司名稱由Cree更改為Wolfspeed，從此專注於第三代化合物半導體領域的佈局。下圖為Wolfspeed歷年營業收入。除了Wolfspeed，剩下兩家龍頭企業分別是ROHM（羅姆）和onsemi（安森美）。

Wolfspeed歷年營業收入（百萬美元）

2022年4月Wolfspeed推出最新600kW XM3高性能雙三相逆變器、模組化碳化硅評估系統。CRD600DA12E-XM3包含兩組XM3功率模組，每組均帶有CGD12HBXMP柵極驅動器。總體設計目標是採用低成本、低複雜度的高載流量、低電感設計，最大限度提高性能。XM3平台採用重疊的平面結構設計，以便實現低雜散電感。模組內的電流回路既寬且薄，在器件間均勻分佈，從而在開關位置產生等效阻抗。模組的電源端子也能垂直偏移，使得直流鏈路電容和模組之間的簡單母線設計能夠一直層壓到模組上。最終結果是，在10MHz時，電源回路的雜散電感僅為6.7nH。

2022年5月11日，安森美(onsemi)在PCIMEurope展會發佈全球首款To-Leadless(TOLL)封裝的碳化硅(SiC)MOSFET。該電晶體滿足了高性能開關器件的需求。TOLL封裝的尺寸僅為9.90mm×11.68mm，外形只有2.30mm，比D2PAK封裝的PCB面積節省30%，體積小60%。除更小尺寸外，TOLL封裝還提供更好的熱性能和更低的封裝電感。其開爾文源極組態可確保更低的門極噪聲和開關損耗,以及改善電磁干擾(EMI)和更容易進行PCB設計。

2022年3月，羅姆推出了他們的第4代MOSFET產品。新系列包括額定電壓為750 V（從650 V增加）和1200 V的MOSFET，以及一些可用的TO247封裝元件，其汽車合格率高達56A/24mΩ。這表明羅姆將繼續瞄準他們之前取得成功的車載充電器市場。ROHM在其發佈聲明中聲稱，他們的第4代產品通過進一步改進原有的雙溝槽結構，在不犧牲短路耐受時間的情況下，將每單位面積的導通電阻比傳統產品降低40%。此外，顯著降低電容也使得開關損耗比羅姆的上一代SiC MOSFET降低50%成為可能。

國內進展

目前碳化硅襯底全球實際產能50-60萬片/年，國內碳化硅襯底產量為20-30萬片/年，可實現批次供應的有天科合達、山東天岳等公司，2022年7月21日晚，天岳先進發佈了《關於簽訂重大合同的公告》。根據公告：天岳先進獲得近14億元的6英吋導電型SiC襯底訂單，從國內外公開的簽約報導來看，天岳此次獲得的巨額訂單是目前已知的國內6英吋導電襯底的最大訂單，同時該訂單金額也位居全球第二，僅次於意法半導體與Wolfspeed的8億美元訂單。另外小米、華為、中興等公司在第三代半導體的研究和應用方面也處於領先水平、除了眾所周知的5G通訊技術，小米於2021年12月29日發佈了67W GaN充電器，也是利用了第三代半導體器件GaN高頻高效特性，讓67W大功率輸出濃縮至小小的身軀內，重量輕至89.5g。

04 寬禁帶半導體材料應用前景及面臨的挑戰

目前，寬禁帶半導體主要在3個領域有強大的市場競爭力。第一是射頻器件，即微波毫米波器件。與砷化鎵和硅等半導體材料相比，在微波毫米波段的寬禁帶半導體器件工作效率和輸出功率明顯要高，適合做射頻功率器件。民用射頻器件主要應用在移動通訊方面，包括現在的4G、5G和未來的6G通訊。例如，國內新裝的4G和5G移動通訊的基站幾乎全用氮化鎵器件。尤其是5G基站採用多輸入多輸出（MIMO）收發體制，每個基站64路收發，耗電量是4G基站的3倍以上，而且基站的密集度還要高於4G基站。未來6G通訊頻率更高、基站數更多，矛盾將更加突出。

第二是大功率電力電子器件。快充裝置、輸變電系統、軌道交通、電動汽車和充電樁等都需要大功率、高效率的電力電子器件。碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導體等具有比其他半導體材料更為明顯的優勢。

第三是光電器件。寬禁帶半導體尤其在短波長光電器件方面有很明顯的優勢。例如在藍光方面，現在半導體照明已經採用了氮化鎵，在紫光、紫外光甚至在黃光、綠光等方面都可以直接用氮化物半導體作為材料。

05 對於寬禁帶半導體產業未來的展望

從資料來看，自2017年至今，寬禁帶半導體器件的市場規模呈非常明顯的上升趨勢。也就是說，近幾年的確是寬禁帶半導體創新發展的好時機，但是寬禁帶半導體領域面臨的難題依舊很多，如工藝的穩定性，核心技術研發、成果轉化、成本控制等方面，不可否認的是，第三代半導體確實突破了第一、二代半導體材料自身材料固有特性的限制，也被市場所看好，有希望全面取代第一、二代半導體材料，但是由於我國第三代半導體產業起步較晚，目前第三代半導體的核心技術還是被日本、美國、歐洲等國家掌握，但“失之東隅,收之桑榆”，這也給予了我國第三代半導體業很大的發展空間，在中國製造2025的大背景下，寬禁帶半導體材料的發展前景不可限量。

本文來自微信公眾號“半導體產業縱橫”（ID:ICViews），作者：陳智超，36氪經授權發佈。

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