第三代半導體能否引領(lǐng)電子芯片業(yè)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(huán)境下的性能限制，在5G通信、互聯(lián)網(wǎng)、新能源、電子信息產(chǎn)業(yè)等前沿領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。在摩爾定律遇到瓶頸，“中國制造2025”的大背景下，寬禁帶半導體材料的發(fā)展前景不可限量。

01、什么是寬禁帶半導體材料

隨著4G、5G通訊的迅速發(fā)展、同時人類生產(chǎn)生活科技化與信息化程度越來越高，電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)在近幾十年呈現(xiàn)迅速發(fā)展態(tài)勢。而在技術(shù)迅猛發(fā)展的背后，是半導體材料的三次重要階段性發(fā)展。第一代半導體材料以硅（Si）和鍺（Ge）為代表，已在集成電路、航空航天、新能源和硅光伏產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應用并取得了卓越成效，目前仍是半導體產(chǎn)業(yè)的主流。隨后，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(shù)等方面遠超于Si，被廣泛應用于微波毫米波器件以及發(fā)光器件中，主要用于制備高頻、高速、大功率和發(fā)光電子器件。然而，隨著未來電子器件在更高頻率、更高功率和更高集成度等方面的要求，第一、二代半導體材料由于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帶寬度和擊穿場強等方面的優(yōu)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制備，在無線基礎(chǔ)設施、軍事和宇航、衛(wèi)星通信和功率轉(zhuǎn)換等高頻、高溫、高功率工作領(lǐng)域有著顯著的優(yōu)勢，是5G移動通信、新能源汽車、智慧電網(wǎng)等前沿創(chuàng)新領(lǐng)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(jié)構(gòu)單元是硅碳四面體，其相互連接形成各種緊密堆積的結(jié)構(gòu)。以碳化硅為典型代表的寬禁帶半導體材料，與常規(guī)半導體硅或砷化鎵相比，具有寬帶隙、高飽和漂移速度、高臨界擊穿電場等突出優(yōu)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(chǎn)應用中，SiC寬禁帶半導體材料能減少電容數(shù)量從而降低器件體積，同時由于其對高結(jié)溫具有超高的耐受性，這種耐受性有助于提升功率密度，減少散熱問題。

SiC相圖及制備SiC的物理氣相傳輸（PVT）技術(shù)

GaN材料首先得到廣泛應用是在發(fā)光器件方面，隨后GaN基高性能MMIC單片微波集成電路）得到了廣泛關(guān)注，最近幾年，由于異質(zhì)外延技術(shù)的發(fā)展，GaNHEMT（高電子遷移率晶體管）得到了迅速發(fā)展。同時，由于GaN基半導體器件具有優(yōu)異的耐壓、耐熱、耐腐蝕特性，它也是5G芯片應用的關(guān)鍵材料。

GaNHEMT結(jié)構(gòu)示意圖

03、國內(nèi)外企業(yè)先進進展

SiC芯片在特斯拉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，一大批采用這種材質(zhì)芯片的汽車已經(jīng)正在路上。其中，由英飛凌制造的SiC芯片已經(jīng)確定搭載在現(xiàn)代的新款電動汽車上，與配備普通硅芯片的汽車相比，其電動汽車的續(xù)航里程可提高5%。

SiC在新能源汽車領(lǐng)域的廣泛應用將為其突破現(xiàn)有的關(guān)于電池、能耗與控制系統(tǒng)上的瓶頸，對于整個行業(yè)的發(fā)展具有積極意義，尤其是在整體成本的控制上，這點從現(xiàn)有的首批采用SiC的汽車特斯拉Model3上已經(jīng)有所體現(xiàn)。SiC器件在特斯拉Model3上的首次應用也對SiC在汽車行業(yè)的發(fā)展起到了推動作用，國內(nèi)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(jīng)應用于特斯拉、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皆采用SiC提高汽車性能，并且，這些汽車公司已經(jīng)計劃在未來車型中使用更多的SiC分立器件或模塊。同時現(xiàn)代、奧迪、大眾、奔馳、通用汽車等傳統(tǒng)車企也開始研發(fā)SiC解決方案。Wolfspeed預計2026年的碳化硅器件市場結(jié)構(gòu)中，新能源汽車將占據(jù)52%，其余射頻、工控與能源將分別占據(jù)33%、16%，與2022年以射頻器件為主的市場結(jié)構(gòu)相比將產(chǎn)生較大變化。

國外進展

Wolfspeed是目前全球最大的SiC襯底制造商，公司成立于1987年，具有30余年的碳化硅生產(chǎn)經(jīng)驗，近年來，公司發(fā)展戰(zhàn)略不斷發(fā)生變化，最終將碳化硅業(yè)務作為公司未來的主營業(yè)務，并于2021年10月將公司名稱由Cree更改為Wolfspeed，從此專注于第三代化合物半導體領(lǐng)域的布局。下圖為Wolfspeed歷年營業(yè)收入。除了Wolfspeed，剩下兩家龍頭企業(yè)分別是ROHM（羅姆）和onsemi（安森美）。

Wolfspeed歷年營業(yè)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、模塊化碳化硅評估系統(tǒng)。CRD600DA12E-XM3包含兩組XM3功率模塊，每組均帶有CGD12HBXMP柵極驅(qū)動器。總體設計目標是采用低成本、低復雜度的高載流量、低電感設計，最大限度提高性能。XM3平臺采用重疊的平面結(jié)構(gòu)設計，以便實現(xiàn)低雜散電感。模塊內(nèi)的電流回路既寬且薄，在器件間均勻分布，從而在開關(guān)位置產(chǎn)生等效阻抗。模塊的電源端子也能垂直偏移，使得直流鏈路電容和模塊之間的簡單母線設計能夠一直層壓到模塊上。最終結(jié)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(fā)布全球首款To-Leadless(TOLL)封裝的碳化硅(SiC)MOSFET。該晶體管滿足了高性能開關(guān)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(jié)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。其開爾文源極配置可確保更低的門極噪聲和開關(guān)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(chǎn)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封裝組件，其汽車合格率高達56A/24mΩ。這表明羅姆將繼續(xù)瞄準他們之前取得成功的車載充電器市場。ROHM在其發(fā)布聲明中聲稱，他們的第4代產(chǎn)品通過進一步改進原有的雙溝槽結(jié)構(gòu)，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(tǒng)產(chǎn)品降低40%。此外，顯著降低電容也使得開關(guān)損耗比羅姆的上一代SiC MOSFET降低50%成為可能。

國內(nèi)進展

目前碳化硅襯底全球?qū)嶋H產(chǎn)能50-60萬片/年，國內(nèi)碳化硅襯底產(chǎn)量為20-30萬片/年，可實現(xiàn)批量供應的有天科合達、山東天岳等公司，2022年7月21日晚，天岳先進發(fā)布了《關(guān)于簽訂重大合同的公告》。根據(jù)公告：天岳先進獲得近14億元的6英寸導電型SiC襯底訂單，從國內(nèi)外公開的簽約報道來看，天岳此次獲得的巨額訂單是目前已知的國內(nèi)6英寸導電襯底的最大訂單，同時該訂單金額也位居全球第二，僅次于意法半導體與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于領(lǐng)先水平、除了眾所周知的5G通訊技術(shù)，小米于2021年12月29日發(fā)布了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(nèi)，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(zhàn)

目前，寬禁帶半導體主要在3個領(lǐng)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信方面，包括現(xiàn)在的4G、5G和未來的6G通信。例如，國內(nèi)新裝的4G和5G移動通信的基站幾乎全用氮化鎵器件。尤其是5G基站采用多輸入多輸出（MIMO）收發(fā)體制，每個基站64路收發(fā)，耗電量是4G基站的3倍以上，而且基站的密集度還要高于4G基站。未來6G通信頻率更高、基站數(shù)更多，矛盾將更加突出。

第二是大功率電力電子器件?？斐溲b置、輸變電系統(tǒng)、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(yōu)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(yōu)勢。例如在藍光方面，現(xiàn)在半導體照明已經(jīng)采用了氮化鎵，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、對于寬禁帶半導體產(chǎn)業(yè)未來的展望

從數(shù)據(jù)來看，自2017年至今，寬禁帶半導體器件的市場規(guī)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(chuàng)新發(fā)展的好時機，但是寬禁帶半導體領(lǐng)域面臨的難題依舊很多，如工藝的穩(wěn)定性，核心技術(shù)研發(fā)、成果轉(zhuǎn)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，但是由于我國第三代半導體產(chǎn)業(yè)起步較晚，目前第三代半導體的核心技術(shù)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(yè)很大的發(fā)展空間，在中國制造2025的大背景下，寬禁帶半導體材料的發(fā)展前景不可限量。