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寬禁帶半導(dǎo)體材料突破原有半導(dǎo)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(dǎo)體材料的發(fā)展前景不可限量。
01、什么是寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)體材料的三次重要階段性發(fā)展。第一代半導(dǎo)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(yīng)用并取得了卓越成效，目前仍是半導(dǎo)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(dǎo)體材料因其在高頻、高效率和低噪聲指數(shù)等方面遠(yuǎn)超于Si，被廣泛應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)體材料——碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等材料進(jìn)入了大眾的視線。與前兩代半導(dǎo)體材料相比，寬禁帶半導(dǎo)體材料因其在禁帶寬度和擊穿場強(qiáng)等方面的優(yōu)勢以及耐高溫、耐腐蝕、抗輻射等特點(diǎn)，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(shè)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(dāng)今世界各國爭相研究的科研熱點(diǎn)和重點(diǎn)。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(dǎo)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(dǎo)體材料，與常規(guī)半導(dǎo)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(diǎn)，是大功率、高溫、高頻、抗輻照應(yīng)用場合下極為理想的半導(dǎo)體材料。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，SiC寬禁帶半導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(jìn)進(jìn)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(dǎo)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(yīng)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(diǎn)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(yīng)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(yīng)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(yù)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(jìn)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(yàn)，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(wù)作為公司未來的主營業(yè)務(wù)，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(dǎo)體領(lǐng)域的布局。下圖為Wolfspeed歷年?duì)I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?duì)I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?？傮w設(shè)計目標(biāo)是采用低成本、低復(fù)雜度的高載流量、低電感設(shè)計，最大限度提高性能。XM3平臺采用重疊的平面結(jié)構(gòu)設(shè)計，以便實(shí)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(shè)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(jìn)行PCB設(shè)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(dá)56A/24mΩ。這表明羅姆將繼續(xù)瞄準(zhǔn)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(jìn)一步改進(jìn)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(dǎo)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(jìn)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(shí)現(xiàn)批量供應(yīng)的有天科合達(dá)、山東天岳等公司，2022年7月21日晚，天岳先進(jìn)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(jìn)獲得近14億元的6英寸導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體的研究和應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)體材料應(yīng)用前景及面臨的挑戰(zhàn)
目前，寬禁帶半導(dǎo)體主要在3個領(lǐng)域有強(qiáng)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(dǎo)體材料相比，在微波毫米波段的寬禁帶半導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)體等具有比其他半導(dǎo)體材料更為明顯的優(yōu)勢。
第三是光電器件。寬禁帶半導(dǎo)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(lán)光方面，現(xiàn)在半導(dǎo)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(dǎo)體作為材料。
05、對于寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體創(chuàng)新發(fā)展的好時機(jī)，但是寬禁帶半導(dǎo)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(rèn)的是，第三代半導(dǎo)體確實(shí)突破了第一、二代半導(dǎo)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(dǎo)體材料，但是由于我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起步較晚，目前第三代半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體材料的發(fā)展前景不可限量。
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