第三代半導體能否引領電子芯片業的一次革新？
發佈時間：2023-01-31 10:05:35
什麼是寬禁帶半導體材料
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）等材料進入了大衆的視線。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、衛星通信和功率轉換等高頻、高溫、高功率工作領域有着顯著的優勢，是 5G 移動通信、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，已成爲當今世界各國爭相研究的科研熱點和重點。從目前來看，研究較爲成熟的是 SiC 和 GaN 材料。
SiC 和 GaN 寬禁帶半導體材料
SiC 爲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。以碳化硅爲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，具有寬帶隙、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爲理想的半導體材料。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 單片微波集成電路）得到了廣泛關注，最近幾年，由於異質外延技術的發展，GaNHEMT（高電子遷移率晶體管）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 芯片應用的關鍵材料。
GaNHEMT 結構示意圖
國內外企業先進進展
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，一大批採用這種材質芯片的汽車已經正在路上。其中，由英飛凌製造的 SiC 芯片已經確定搭載在現代的新款電動汽車上，與配備普通硅芯片的汽車相比，其電動汽車的續航里程可提高 5%。
SiC 在新能源汽車領域的廣泛應用將爲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劃在未來車型中使用更多的 SiC 分立器件或模塊。同時現代、奧迪、大衆、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 年以射頻器件爲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爲公司未來的主營業務，並於 2021 年 10 月將公司名稱由 Cree 更改爲 Wolfspeed，從此專注於第三代化合物半導體領域的佈局。下圖爲 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、模塊化碳化硅評估系統。CRD600DA12E-XM3 包含兩組 XM3 功率模塊，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 平臺採用重疊的平面結構設計，以便實現低雜散電感。模塊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。最終結果是，在 10MHz 時，電源迴路的雜散電感僅爲 6.7nH。
2022 年 5 月 11 日，安森美 (onsemi) 在 PCIMEurope 展會發布全球首款 To-Leadless(TOLL) 封裝的碳化硅 (SiC)MOSFET。該晶體管滿足了高性能開關器件的需求。TOLL 封裝的尺寸僅爲 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。其開爾文源極配置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爲 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% 成爲可能。
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爲 20-30 萬片/年，可實現批量供應的有天科合達、山東天嶽等公司，2022 年 7 月 21 日晚，天嶽先進發布了《關於簽訂重大合同的公告》。根據公告：天嶽先進獲得近 14 億元的 6 英寸導電型 SiC 襯底訂單，從國內外公開的簽約報道來看，天嶽此次獲得的鉅額訂單是目前已知的國內 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，僅次於意法半導體與 Wolfspeed 的 8 億美元訂單。另外小米、華爲、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、除了衆所周知的 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。
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信方面，包括現在的 4G、5G 和未來的 6G 通信。例如，國內新裝的 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 通信頻率更高、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爲明顯的優勢。
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爲材料。
對於寬禁帶半導體產業未來的展望
從數據來看，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。
