聚焦“寬禁帶”半導體——SiC與GaN的興起與未來

半導體禁帶寬度還與溫度等有關(guān)：半導體禁帶寬度隨溫度能夠發(fā)生變化，這是半導體器件及其電路的一個弱點（但在某些應用中這卻是一個優(yōu)點）。半導體的禁帶寬度具有負的溫度系數(shù)，所以當溫度升高時，晶體的原子間距增大，能帶寬度雖然變窄，但禁帶寬度卻是減小的 —— 負的溫度系數(shù)。

禁帶寬度是半導體的一個重要特征參量，其大小主要決定于半導體的能帶結(jié)構(gòu)，即與晶體結(jié)構(gòu)和原子的結(jié)合性質(zhì)等有關(guān)。根據(jù)半導體材料的禁帶寬度的不同，可分為寬禁帶半導體材料和窄禁帶半導體材料：

· 若禁帶寬度Eg< 2.3eV（電子伏特），則稱為窄禁帶半導體，如鍺(Ge)、硅(Si)、砷化鎵(GaAs)以及磷化銦(InP)；

· 若禁帶寬度Eg＞2.3eV則稱為寬禁帶半導體，如碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、H碳化硅(HSiC)、H碳化硅(HSiC)、氮化鋁(AlN)以及氮化鎵鋁(ALGaN)等。

禁帶越寬，意味著電子躍遷到導帶所需的能量越大，也意味著材料能承受的溫度和電壓越高，越不容易成為導體；禁帶越窄，意味著電子躍遷到導帶所需的能量越小，也意味著材料能承受的溫度和電壓越低，越容易成為導體。

寬禁帶半導體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場強度高、飽和電子漂移速度高、熱導率大、介電常數(shù)小、抗輻射能力強以及良好的化學穩(wěn)定性等特點，非常適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件。

SiC和GaN

GaN晶體管在20世紀90年代首次出現(xiàn)，2010年宜普電源轉(zhuǎn)換公司(EPC)推出第一個器件后，宣布了GaN開始了的正式商業(yè)化應用之路。SiC二極管自2001年推出，到現(xiàn)在已經(jīng)進入了所有高性能電源、可再生能源和電機驅(qū)動應用領(lǐng)域。

GaN和SiC等寬禁帶半導體具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點，可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求。從工程角度來看，SiC和GaN具有的優(yōu)勢主要有下面4個：

· 寬禁帶半導體具有卓越的dV/dt切換性能，這意味著開關(guān)損耗非常小。這使得高開關(guān)頻率(SiC為50 kHz至500 kHz，GaN為1 MHz以上)成為可能，結(jié)果有助于減小磁體體積，同時提升功率密度。

· 電感值、尺寸和重量能減少70%以上，同時還能減少電容數(shù)量，使最終轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量僅相當于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的五分之一。

· 無源元件和機械部件(包括散熱器)的用量可節(jié)省約40%，增值部分則體現(xiàn)在控制電子IC上。

· 寬禁帶半導體對高結(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。

與GaN相比，SiC熱導率是GaN的三倍以上，在高溫應用領(lǐng)域更有優(yōu)勢；同時SiC單晶的制備技術(shù)相對更成熟，所以SiC功率器件的種類遠多于GaN。但是GaN并不完全處于劣勢，甚至被稱為SiC器件獲得成長的最大抑制因素。隨著GaN制造工藝在不斷進步，在GaN-on-Si外延片上制造的GaN器件具有相當?shù)偷某杀?，比在SiC晶片上制造任何產(chǎn)品都更為容易。由于這些原因，GaN晶體管可能會成為2020年代后期逆變器中的首選，優(yōu)于較昂貴的SiC MOSFET。數(shù)據(jù)顯示，2023年全球GaN器件市場規(guī)模將達到224.7億美元。

在應用上，SiC和GaN的優(yōu)勢是互補的。GaN擁有更高的熱導率和更成熟的技術(shù)，而SiC直接躍遷、高電子遷移率和飽和電子速率、成本更低的優(yōu)點則使其擁有更快的研發(fā)速度。兩者的不同優(yōu)勢決定了應用范圍上的差異：GaN的市場應用偏向高頻小電力領(lǐng)域，集中在1000V以下；而SiC適用于1200V以上的高溫大電力領(lǐng)域。兩者的應用領(lǐng)域覆蓋了新能源汽車、光伏、機車牽引、智能電網(wǎng)、節(jié)能家電、通信射頻等大多數(shù)具有廣闊發(fā)展前景的新興應用市場。

· SiC最大的應用市場來自汽車。與傳統(tǒng)解決方案相比，基于SiC的解決方案使系統(tǒng)效率更高、重量更輕及結(jié)構(gòu)更加緊湊。目前SiC器件在EV/HEV上應用主要是功率控制單元（PCU）、逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器等方面。全球SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢。其中美國全球獨大，占全球SiC產(chǎn)量的70%~80%；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應用產(chǎn)業(yè)鏈；日本是設備和模塊開發(fā)方面的領(lǐng)先者。中國企業(yè)在襯底、外延和器件方面均有所布局，但是體量均較小。

· GaN是5G應用的關(guān)鍵材料。相較于已經(jīng)發(fā)展十多年的SiC，GaN功率器件是后進者，它擁有類似SiC性能優(yōu)勢的寬禁帶材料，但擁有更大的成本控制潛力，在射頻微波領(lǐng)域和電力電子領(lǐng)域都有廣泛的應用。GaN是射頻器件的合適材料，特別是高頻應用，這在5G時代非常重要。電力電子方面，GaN功率器件因其高頻高效率的特點而在消費電子充電器、新能源充電樁、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域有著較大的應用潛力。目前GaN產(chǎn)業(yè)仍舊以海外企業(yè)為主，國內(nèi)企業(yè)在襯底外延和設計制造領(lǐng)域都逐漸開始涉足。

基于SiC、GaN功率器件的前景可期，已吸引眾多公司進入這一市場，英飛凌、恩智浦、安森美、ST、德州儀器、羅姆、TDK、松下、東芝、等實力選手也紛紛加入戰(zhàn)局。在國內(nèi)電源管理IC廠商中，也有包括矽力杰、晶豐、士蘭微、芯朋微、東科、比亞迪等戰(zhàn)將，但顯然這一市場仍以日美歐廠商為主角。

我國早已經(jīng)在大力扶持第三代半導體產(chǎn)業(yè)。2016年國務院就出臺了《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，明確提出以第三代半導體材料等為核心，搶占先進電子材料技術(shù)的制高點。

SiC和GaN的應?領(lǐng)域 

寬禁帶半導體材料作為一類新型材料，具有獨特的電、光、聲等特性，其制備的器件具有優(yōu)異的性能，在眾多方面具有廣闊的應用前景。它能夠提高功率器件工作溫度極限，使其在更惡劣的環(huán)境下工作；能夠提高器件的功率和效率，提高裝備性能；能夠拓寬發(fā)光光譜，實現(xiàn)全彩顯示。隨著寬禁帶技術(shù)的進步，材料工藝與器件工藝的逐步成熟，其重要性將逐漸顯現(xiàn)，在高端領(lǐng)域?qū)⒅鸩饺〈谝淮?、第二代半導體材料，成為電子信息產(chǎn)業(yè)的主宰。

· 半導體照明：LED襯底類別包括藍寶石、SiC、Si以及GaN。藍光LED在用襯底材料來劃分技術(shù)路線。SiC襯底有效地解決了襯底材料與GaN的晶格匹配度問題，減少了缺陷和位錯，更高的電光轉(zhuǎn)換效率從根本上帶來更多的出光和更少的散熱。GaN具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強和良好的化學穩(wěn)定性等優(yōu)越特性，是迄今理論上電光、光電轉(zhuǎn)換效率最高的材料體系。時至今日，GaN襯底相對于藍寶石、SiC等襯底的性能優(yōu)勢顯而易見，最大難題在于價格過高。

· 功率器件：2015年，SiC功率半導體市場（包括二極管和晶體管）規(guī)模約為2億美元，到2021年，其市場規(guī)模預計將超過5.5億美元，這期間的復合年均增長率預計將達19％。毫無懸念，消耗大量二極管的功率因素校正（PFC）電源市場，仍將是SiC功率半導體最主要的應用。

· 微波器件：GaN高頻大功率微波器件已開始用于軍用雷達、智能武器和通信系統(tǒng)等方面。在未來，GaN微波器件有望用于4G-5G移動通訊基站等民用領(lǐng)域。GaN在國防領(lǐng)域的應用主要包括IED干擾器、軍事通訊、雷達、電子對抗等。GaN將在越來越多的國防產(chǎn)品中得到應用，充分體現(xiàn)其在提高功率、縮小體積和簡化設計方面的巨大優(yōu)勢。

· 激光器和探測器：在激光器和探測器應用領(lǐng)域，GaN激光器已經(jīng)成功用于藍光DVD，藍光和綠色的激光將來巨大的市場空間在微型投影、激光3D投影等投影顯示領(lǐng)域，藍色激光器和綠光激光器產(chǎn)值約為2億美元，如果技術(shù)瓶頸得到突破，潛在產(chǎn)值將達到500億美元。2014年諾貝爾獎獲得者中村修二認為下一代照明技術(shù)應該是基于GaN激光器的“激光照明”，有望將照明和顯示融合發(fā)展。目前，只有國外的日本日亞公司（Nichia）、和德國的歐司朗（Osram）等公司能夠提供商品化的GaN基激光器。由于GaN優(yōu)異的光電特性和耐輻射性能，還可以用作高能射線探測器。GaN基紫外探測器可用于導彈預警、衛(wèi)星秘密通信、各種環(huán)境監(jiān)測、化學生物探測等領(lǐng)域，例如核輻射探測器、X射線成像儀等，但尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

寬禁帶半導體面臨的挑戰(zhàn)

雖然GaN和SiC等寬禁帶半導體正在快速增長中，但其實它們的發(fā)展還是面臨著許多挑戰(zhàn)的。真正的挑戰(zhàn)是為市場提供強固和高性能的器件，實現(xiàn)與硅電源半導體相當或優(yōu)于硅電源半導體的穩(wěn)定和可靠的運行。

首先是所有新技術(shù)在推廣初期都會遇到的成本問題，據(jù)Yole統(tǒng)計，目前SiC MOSFET器件的每安培成本比同類IGBT高出五倍以上。這主要是由于下游應用目前大多處在研發(fā)階段，還沒有形成批量產(chǎn)業(yè)化，尤其是在國內(nèi)。從整個國際半導體市場來看，我們判斷寬禁帶半導體基本上處在爆發(fā)式增長的前期。

寬禁帶半導體目前遇到的最大挑戰(zhàn)在于為了充分利用SiC器件的功率和性能，必須對封裝進行顯著改進。因為SiC器件的尺寸要小得多，因此，必須優(yōu)化分立封裝和模塊的熱性能，為此需要改進粘晶材料(die attach materials)和方法，這需要直接散熱和/或雙面散熱的方案。提高開關(guān)速度需要盡可能降低寄生電感，高電流密度需要覆晶(flip-chip)和非引線鍵合(non-wire bonded)方案。

我國寬禁帶功率半導體創(chuàng)新發(fā)展的時機已經(jīng)逐步成熟，處于重要窗口期。但是，目前行業(yè)面臨的困難仍然很多，一個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與兩個方面有關(guān)：一個是技術(shù)層面，另一個重要問題就是產(chǎn)業(yè)的生態(tài)環(huán)境。

寬禁帶功率半導體面臨的技術(shù)難題很多。如襯底材料的完整性、外延層及歐姆接觸的質(zhì)量、工藝穩(wěn)定性、器件可靠性以及成本控制等，寬禁帶功率半導體產(chǎn)業(yè)化的難度比外界想象的要大很多。

產(chǎn)業(yè)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境的建設并不完善。5G移動通信、電動汽車等是寬禁帶半導體產(chǎn)業(yè)最具有爆發(fā)性增長潛力的應用領(lǐng)域，國內(nèi)在產(chǎn)業(yè)生態(tài)的成熟度上與國外的差距還比較明顯，落后程度更甚于技術(shù)層面的落后程度。產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同不足，尚未解決材料“能用-可用-好用”發(fā)展過程中的問題和障礙。

寬禁帶功率半導體需要產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈的協(xié)同發(fā)展。寬禁帶功率半導體涉及多學科、跨領(lǐng)域的技術(shù)和應用，需要聯(lián)合多個領(lǐng)域優(yōu)勢資源，開展多學科、跨領(lǐng)域的集成創(chuàng)新，但研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化需要昂貴的生長和工藝設備、高等級的潔凈環(huán)境和先進的測試分析平臺。目前國內(nèi)從事寬禁帶半導體研發(fā)的研究機構(gòu)、企業(yè)單體規(guī)模小，資金投入有限，研發(fā)創(chuàng)新速度慢，成果轉(zhuǎn)化困難。

第三代寬禁帶半導體材料，可以被廣泛應用在各個領(lǐng)域，且具備眾多的優(yōu)良性能，可突破第一、二代半導體材料的發(fā)展瓶頸，故被市場看好的同時，隨著技術(shù)的發(fā)展有望全面取代第一、二代半導體材料。目前，美國、日本、歐洲在第三代半導體SiC、GaN、AlN等技術(shù)上擁有絕對的話語權(quán)。相比美、日，我國在第三半導體材料上的起步較晚，水平較低，但由于第三代半導體還有很大的發(fā)展空間，各國都處于發(fā)力階段，因此被視作一次彎道超車的機會。路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。或許是概括這一行業(yè)的最好判語了。