第三代半导体能否引领电子芯片业的一次革新？

宽禁带半导体材料突破原有半导体材料在大功率、高频、高速、高温环境下的性能限制，在5G通信、互联网、新能源、电子信息产业等前沿领域发挥重要作用。在摩尔定律遇到瓶颈，“中国制造2025”的大背景下，宽禁带半导体材料的发展前景不可限量。

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什么是宽禁带半导体材料

随着4G、5G通讯的迅速发展、同时人类生产生活科技化与信息化程度越来越高，电子信息技术产业在近几十年呈现迅速发展态势。而在技术迅猛发展的背后，是半导体材料的三次重要阶段性发展。第一代半导体材料以硅（Si）和锗（Ge）为代表，已在集成电路、航空航天、新能源和硅光伏产业中得到广泛应用并取得了卓越成效，目前仍是半导体产业的主流。随后，以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表的第二代化合物半导体材料因其在高频、高效率和低噪声指数等方面远超于Si，被广泛应用于微波毫米波器件以及发光器件中，主要用于制备高频、高速、大功率和发光电子器件。然而，随着未来电子器件在更高频率、更高功率和更高集成度等方面的要求，第一、二代半导体材料由于其自身材料固有特性的限制已变得力不从心。

在这种情况下，第三代化合物半导体材料——碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等材料进入了大众的视线。与前两代半导体材料相比，宽禁带半导体材料因其在禁带宽度和击穿场强等方面的优势以及耐高温、耐腐蚀、抗辐射等特点，非常适合更小体积、更轻重量、更高效率、更大功率的电子电力器件制备，在无线基础设施、军事和宇航、卫星通信和功率转换等高频、高温、高功率工作领域有着显著的优势，是5G移动通信、新能源汽车、智慧电网等前沿创新领域的首选核心材料和器件，已成为当今世界各国争相研究的科研热点和重点。从目前来看，研究较为成熟的是SiC和GaN材料。

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SiC和GaN宽禁带半导体材料

SiC为Ⅳ主族中Si元素和C元素组成的化合物，C原子和Si原子以共价键的形式连接。SiC的基本结构单元是硅碳四面体，其相互连接形成各种紧密堆积的结构。以碳化硅为典型代表的宽禁带半导体材料，与常规半导体硅或砷化镓相比，具有宽带隙、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等突出优点，是大功率、高温、高频、抗辐照应用场合下极为理想的半导体材料。在实际生产应用中，SiC宽禁带半导体材料能减少电容数量从而降低器件体积，同时由于其对高结温具有超高的耐受性，这种耐受性有助于提升功率密度，减少散热问题。 

SiC相图及制备SiC的物理气相传输（PVT）技术

GaN材料首先得到广泛应用是在发光器件方面，随后GaN基高性能MMIC单片微波集成电路）得到了广泛关注，最近几年，由于异质外延技术的发展，GaNHEMT（高电子迁移率晶体管）得到了迅速发展。同时，由于GaN基半导体器件具有优异的耐压、耐热、耐腐蚀特性，它也是5G芯片应用的关键材料。

GaNHEMT结构示意图

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国内外企业先进进展

SiC芯片在特斯拉Model3上的初次亮相，让全球汽车厂商将目光放在了SiC这种全新的半导体材料，在庞大的市场需求推动下，一大批采用这种材质芯片的汽车已经正在路上。其中，由英飞凌制造的SiC芯片已经确定搭载在现代的新款电动汽车上，与配备普通硅芯片的汽车相比，其电动汽车的续航里程可提高5%。

SiC在新能源汽车领域的广泛应用将为其突破现有的关于电池、能耗与控制系统上的瓶颈，对于整个行业的发展具有积极意义，尤其是在整体成本的控制上，这点从现有的首批采用SiC的汽车特斯拉Model3上已经有所体现。SiC器件在特斯拉Model3上的首次应用也对SiC在汽车行业的发展起到了推动作用，国内外汽车厂商新能源板块的SiC器件的渗透率已开始逐渐攀升，目前已经应用于特斯拉、比亚迪、蔚来、小鹏等品牌的中高端车型，如比亚迪纯电动车车型“汉”、Lucid推出的LucidAir皆采用SiC提高汽车性能，并且，这些汽车公司已经计划在未来车型中使用更多的SiC分立器件或模块。同时现代、奥迪、大众、奔驰、通用汽车等传统车企也开始研发SiC解决方案。Wolfspeed预计2026年的碳化硅器件市场结构中，新能源汽车将占据52%，其余射频、工控与能源将分别占据33%、16%，与2022年以射频器件为主的市场结构相比将产生较大变化。

国外进展

Wolfspeed是目前全球最大的SiC衬底制造商，公司成立于1987年，具有30余年的碳化硅生产经验，近年来，公司发展战略不断发生变化，最终将碳化硅业务作为公司未来的主营业务，并于2021年10月将公司名称由Cree更改为Wolfspeed，从此专注于第三代化合物半导体领域的布局。下图为Wolfspeed历年营业收入。除了Wolfspeed，剩下两家龙头企业分别是ROHM（罗姆）和onsemi（安森美）。

Wolfspeed历年营业收入（百万美元）

2022年4月Wolfspeed推出最新600kW XM3高性能双三相逆变器、模块化碳化硅评估系统。CRD600DA12E-XM3包含两组XM3功率模块，每组均带有CGD12HBXMP栅极驱动器。总体设计目标是采用低成本、低复杂度的高载流量、低电感设计，最大限度提高性能。XM3平台采用重叠的平面结构设计，以便实现低杂散电感。模块内的电流回路既宽且薄，在器件间均匀分布，从而在开关位置产生等效阻抗。模块的电源端子也能垂直偏移，使得直流链路电容和模块之间的简单母线设计能够一直层压到模块上。最终结果是，在10MHz时，电源回路的杂散电感仅为6.7nH。

2022年5月11日，安森美(onsemi)在PCIMEurope展会发布全球首款To-Leadless(TOLL)封装的碳化硅(SiC)MOSFET。该晶体管满足了高性能开关器件的需求。TOLL封装的尺寸仅为9.90mm×11.68mm，外形只有2.30mm，比D2PAK封装的PCB面积节省30%，体积小60%。除更小尺寸外，TOLL封装还提供更好的热性能和更低的封装电感。其开尔文源极配置可确保更低的门极噪声和开关损耗,以及改善电磁干扰(EMI)和更容易进行PCB设计。

2022年3月，罗姆推出了他们的第4代MOSFET产品。新系列包括额定电压为750 V（从650 V增加）和1200 V的MOSFET，以及一些可用的TO247封装组件，其汽车合格率高达56A/24mΩ。这表明罗姆将继续瞄准他们之前取得成功的车载充电器市场。ROHM在其发布声明中声称，他们的第4代产品通过进一步改进原有的双沟槽结构，在不牺牲短路耐受时间的情况下，将每单位面积的导通电阻比传统产品降低40%。此外，显著降低电容也使得开关损耗比罗姆的上一代SiC MOSFET降低50%成为可能。

国内进展

目前碳化硅衬底全球实际产能50-60万片/年，国内碳化硅衬底产量为20-30万片/年，可实现批量供应的有天科合达、山东天岳等公司，2022年7月21日晚，天岳先进发布了《关于签订重大合同的公告》。根据公告：天岳先进获得近14亿元的6英寸导电型SiC衬底订单，从国内外公开的签约报道来看，天岳此次获得的巨额订单是目前已知的国内6英寸导电衬底的最大订单，同时该订单金额也位居全球第二，仅次于意法半导体与Wolfspeed的8亿美元订单。另外小米、华为、中兴等公司在第三代半导体的研究和应用方面也处于领先水平、除了众所周知的5G通讯技术，小米于2021年12月29日发布了67W GaN充电器，也是利用了第三代半导体器件GaN高频高效特性，让67W大功率输出浓缩至小小的身躯内，重量轻至89.5g。

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宽禁带半导体材料应用前景及面临的挑战

目前，宽禁带半导体主要在3个领域有强大的市场竞争力。第一是射频器件，即微波毫米波器件。与砷化镓和硅等半导体材料相比，在微波毫米波段的宽禁带半导体器件工作效率和输出功率明显要高，适合做射频功率器件。民用射频器件主要应用在移动通信方面，包括现在的4G、5G和未来的6G通信。例如，国内新装的4G和5G移动通信的基站几乎全用氮化镓器件。尤其是5G基站采用多输入多输出（MIMO）收发体制，每个基站64路收发，耗电量是4G基站的3倍以上，而且基站的密集度还要高于4G基站。未来6G通信频率更高、基站数更多，矛盾将更加突出。

第二是大功率电力电子器件。快充装置、输变电系统、轨道交通、电动汽车和充电桩等都需要大功率、高效率的电力电子器件。碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体等具有比其他半导体材料更为明显的优势。

第三是光电器件。宽禁带半导体尤其在短波长光电器件方面有很明显的优势。例如在蓝光方面，现在半导体照明已经采用了氮化镓，在紫光、紫外光甚至在黄光、绿光等方面都可以直接用氮化物半导体作为材料。

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对于宽禁带半导体产业未来的展望

从数据来看，自2017年至今，宽禁带半导体器件的市场规模呈非常明显的上升趋势。也就是说，近几年的确是宽禁带半导体创新发展的好时机，但是宽禁带半导体领域面临的难题依旧很多，如工艺的稳定性，核心技术研发、成果转化、成本控制等方面，不可否认的是，第三代半导体确实突破了第一、二代半导体材料自身材料固有特性的限制，也被市场所看好，有希望全面取代第一、二代半导体材料，但是由于我国第三代半导体产业起步较晚，目前第三代半导体的核心技术还是被日本、美国、欧洲等国家掌握，但“失之东隅,收之桑榆”，这也给予了我国第三代半导体业很大的发展空间，在中国制造2025的大背景下，宽禁带半导体材料的发展前景不可限量。