一文讀懂：第三代半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)狀和投資機(jī)遇

半導(dǎo)體材料與工藝設(shè)備

2021年11月15日 15:10

來(lái)源：半導(dǎo)體工藝與設(shè)備

近年來(lái)，以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體迅猛發(fā)展，已成為中國(guó)功率電子行業(yè)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重點(diǎn)。抓住第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體的戰(zhàn)略機(jī)遇期，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體材料、器件、封裝模塊和系統(tǒng)開發(fā)的自主可控，對(duì)保障工業(yè)創(chuàng)新體系的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。在分析第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體重要戰(zhàn)略意義的基礎(chǔ)上，綜述了其材料、器件研發(fā)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了碳化硅及氮化鎵器件在當(dāng)前環(huán)境下的應(yīng)用成果，剖析了第三代半導(dǎo)體行業(yè)存在的關(guān)鍵問(wèn)題。建議在國(guó)家政策的進(jìn)一步領(lǐng)導(dǎo)之下，發(fā)揮行業(yè)協(xié)會(huì)和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的橋梁和紐帶作用，對(duì)襯底材料、外延材料、芯片與器件設(shè)計(jì)和制造工藝等產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)進(jìn)行整體支撐，引導(dǎo)各環(huán)節(jié)間實(shí)現(xiàn)資源共享、強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，上下游互相拉動(dòng)和促進(jìn)，形成一個(gè)布局合理、結(jié)構(gòu)完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

隨著節(jié)能減排、新能源發(fā)電、智能電網(wǎng)和無(wú)線通信等領(lǐng)域的快速發(fā)展，電源和控制器行業(yè)對(duì)功率半導(dǎo)體器件的性能指標(biāo)和可靠性的要求日益提高，要求器件有更高的工作電壓、更大的電流承載能力、更高的工作頻率、更高的效率、更高的工作溫度、更強(qiáng)的散熱能力和更高的可靠性。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，基于硅材料的功率半導(dǎo)體器件的性能已經(jīng)接近其物理極限。因此，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等為代表的第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體材料的發(fā)展開始受到重視。技術(shù)領(lǐng)先國(guó)家和國(guó)際大型企業(yè)紛紛投入到 SiC和 GaN的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化中，產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋材料、器件、模塊和應(yīng)用等各個(gè)環(huán)節(jié)。第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體對(duì)電動(dòng)化交通、工業(yè)伺服和電力行業(yè)的裝備和產(chǎn)品升級(jí)換代產(chǎn)生了重大且深遠(yuǎn)的影響。

1 第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體的戰(zhàn)略意義

目前，中國(guó)已經(jīng)把大力支持發(fā)展第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)寫入國(guó)家“十四五”和中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中，計(jì)劃在教育、科研、開發(fā)、融資、應(yīng)用等各方面，大力支持第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)與世界同步和自主可控[1]。

在現(xiàn)有的全部三代半導(dǎo)體材料中，第一代半導(dǎo)體材料以硅（Si）、鍺（Ge）為代表，其中鍺最先被研究且應(yīng)用，但由于其造價(jià)較高（比白銀稍貴），穩(wěn)定性較差，主要應(yīng)用于部分發(fā)光二極管、太陽(yáng)能電池中。硅基材料是目前主流邏輯芯片和功率器件的基礎(chǔ)，以硅基半導(dǎo)體材料開創(chuàng)了功率半導(dǎo)體元器件金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等為代表的固態(tài)電子時(shí)代[2]。

第二代半導(dǎo)體材料，主要是指化合物半導(dǎo)體材料，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表，其主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、光通信、GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。但是 GaAs、InP 材料資源稀缺，價(jià)格昂貴，并且還有毒性，污染環(huán)境，InP甚至被認(rèn)為是可疑致癌物質(zhì)，這些缺點(diǎn)使得第二代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用具有一定的局限性。目前主流第二代半導(dǎo)體

材料 GaAs 占據(jù)了化合物半導(dǎo)體市場(chǎng)上 79% 的份額。但得益于最大功率范圍、頻率、亮度、耗電量以及高頻噪聲等方面的優(yōu)勢(shì)，各大廠商都認(rèn)為第三代化合物半導(dǎo)體（GaN及SiC）在應(yīng)用端將有更優(yōu)異的表現(xiàn)[3]。

第三代半導(dǎo)體指的是 SiC、GaN、ZnO、金剛石（C）、AlN 等具有寬禁帶（Eg＞2.3 eV）特性的新興半導(dǎo)體材料。以第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體的典型代表 SiC和 GaN為例，其材料特性與 Si材料的特性對(duì)比如圖1所示[4]。

一文讀懂：第三代半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)狀和投資機(jī)遇的圖1

第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：（1）比導(dǎo)通電阻是硅器件的近 1/1000（在相同的電壓/電流等級(jí)下），可以大大降低器件的導(dǎo)通損耗；（2）開關(guān)頻率是硅器件的 10余倍，可以大大減小電路中儲(chǔ)能元件的體積，從而成倍地減小設(shè)備體積，減少貴重金屬等材料的消耗；（3）理論上可以在 600℃以上的高溫環(huán)境下工作，并有抗輻射的優(yōu)勢(shì)，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性，在能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值[5]。

第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體材料具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點(diǎn)。例如，與 Si基材料相比：（1）SiC具有 3倍的禁帶寬度，可減少漏電并提高工作溫度；（2）SiC具有近10倍的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，可提高內(nèi)電壓、開關(guān)速度并減低損耗；（3）SiC具有 4倍的導(dǎo)熱率，支持高功率密度并可降低散熱要求。其優(yōu)點(diǎn)可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求，是當(dāng)前半導(dǎo)體材料領(lǐng)域最有前景的材料，在國(guó)防、航空航天、能源、通信、電動(dòng)化交通、工業(yè)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景，在寬帶通信、太陽(yáng)能、新能源汽車、半導(dǎo)體照明、智能電網(wǎng)等眾多戰(zhàn)略行業(yè)可以降低 50% 以上的能量損失，最高可以使裝備體積減小 75% 以上，對(duì)人類科技的發(fā)展具有里程碑的意義。

目前，第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)在智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車、軌道交通、新能源并網(wǎng)、開關(guān)電源、工業(yè)電機(jī)以及家用電器等領(lǐng)域得到應(yīng)用，并展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。國(guó)際領(lǐng)先企業(yè)已經(jīng)開始市場(chǎng)布局，全球新一輪的產(chǎn)業(yè)升級(jí)已經(jīng)開始，正在逐漸進(jìn)入第三代半導(dǎo)體時(shí)代。

SiC是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶功率半導(dǎo)體材料，GaN 緊隨其后，金剛石、AlN 和 Ga2O3等也成為國(guó)際前沿研究熱點(diǎn)。下面以 SiC和 GaN器件為例，論述當(dāng)前第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體的發(fā)展現(xiàn)狀。

2 第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體的發(fā)展現(xiàn)狀

由于制造設(shè)備、制造工藝以及成本的劣勢(shì)，既往多年來(lái)第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體材料只是在小范圍內(nèi)應(yīng)用，無(wú)法挑戰(zhàn)Si基半導(dǎo)體的統(tǒng)治地位。最近幾年，隨著材料科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，SiC和GaN等寬禁帶半導(dǎo)體材料的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題得到了根本性質(zhì)的突破。

在 5G 和新能源汽車等新市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)下，第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體材料有望迎來(lái)加速發(fā)展。Si基半導(dǎo)體的性能已無(wú)法完全滿足5G通信和高效新能源汽車等電動(dòng)化交通以及航天、軍工等的需求，SiC 和 GaN 等第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)被放大。

2.1 SiC 單晶材料的發(fā)展現(xiàn)狀

目前生長(zhǎng) SiC 單晶最成熟的方法是物理氣相輸運(yùn)（PVT）法，其生長(zhǎng)機(jī)理是：在超過(guò) 2000℃高溫下將 C粉和 Si粉升華分解成為 Si原子、Si2C分子和SiC2分子等氣相物質(zhì)，在溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下，這些氣相物質(zhì)將被輸運(yùn)到溫度較低的 SiC 籽晶上形成4H型SiC晶體。通過(guò)控制PVT的溫場(chǎng)、氣流等工藝參數(shù)可以生長(zhǎng)特定的4H-SiC晶型。

SiC單晶材料主要有導(dǎo)通型襯底和半絕緣襯底兩種。高質(zhì)量、大尺寸的 SiC 單晶材料是 SiC 技術(shù)發(fā)展首要解決的問(wèn)題，持續(xù)增大晶圓尺寸、降低缺陷密度（微管、位錯(cuò)、層錯(cuò)等）是其重點(diǎn)發(fā)展方向。2010 年，美國(guó) Cree 公司發(fā)布 6 英寸（1 英寸=25.4mm）SiC 單晶襯底樣品，并于 2015 年開始批量供貨；2015年，美國(guó) Cree、II-Ⅵ公司推出了 8英寸 SiC單晶襯底材料樣品[6]。

全球?qū)ㄐ?SiC 晶圓材料市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。導(dǎo)通型SiC單晶襯底材料是制造SiC功率半導(dǎo)體器件的基材。根據(jù) Yolo 公司統(tǒng)計(jì)，2017 年 4 英寸 SiC晶圓市場(chǎng)接近10萬(wàn)片；6英寸SiC晶圓供貨約1.5萬(wàn)片；2020 年，4 英寸 SiC 晶圓的產(chǎn)能約為 20 萬(wàn)片左右，單價(jià)將降低25%；6英寸SiC晶圓的市場(chǎng)需求將超過(guò)20萬(wàn)片。預(yù)計(jì)2020—2025年，4英寸SiC晶圓的單價(jià)每年下降 10% 左右，市場(chǎng)規(guī)模將逐步減少到 8 萬(wàn)片；在 2025—2030 年，4 英寸晶圓將逐漸退出市場(chǎng)，6英寸晶圓將增長(zhǎng)至50萬(wàn)片[7]。

目前 SiC 襯底技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，國(guó)內(nèi)主要 SiC 單晶襯底材料企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)已經(jīng)具備了成熟的 4英寸零微管 SiC 單晶產(chǎn)品能力，并已經(jīng)研發(fā)出了 6英寸單晶樣品，例如，中國(guó)電子科技集團(tuán)第五十五研究所（以下簡(jiǎn)稱中電科 55 所）于 2016 和 2018 年分別開發(fā)出了 4 英寸 SiC 圓片樣件和 6 英寸 SiC 產(chǎn)品技術(shù)。在 2016—2019年中國(guó) SiC、GaN 電力電子產(chǎn)業(yè)值持續(xù)提高。據(jù)中國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CASA）初步統(tǒng)計(jì)，2019 年中國(guó) SiC、GaN 電力電子和微波射頻產(chǎn)值（供給）超過(guò) 60 億元；2019年SiC、GaN功率電子產(chǎn)值規(guī)模達(dá)26億元，同比增長(zhǎng) 84%。但是在晶體材料質(zhì)量和產(chǎn)業(yè)化能力方面距離國(guó)際先進(jìn)水平存在一定差距。

2.2 SiC 功率器件的發(fā)展現(xiàn)狀

SiC 功率半導(dǎo)體器件包括二極管和晶體管，其中二極管主要有結(jié)勢(shì)壘肖特基（JBS）功率二極管、pin功率二極管和混合pin肖特基二極管（MPS）；晶體管主要有金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、雙極型晶體管（BJT）、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）等。

2001 年，德國(guó)英飛凌（Infineon）公司最先發(fā)布SiC JBS 產(chǎn)品，同年美國(guó) Cree 公司也實(shí)現(xiàn)了 SiCJBS。由于 SiC 晶體管的技術(shù)難度大，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度落后于二極管。2010年，日本 Rohm公司首先量產(chǎn)SiC MOSFET 產(chǎn)品，2011年美國(guó) Cree公司開始銷售SiC MOSFET 產(chǎn)品。SiC IGBT 和 GTO 等器件由于技術(shù)難度更大，仍處于研發(fā)階段，距離產(chǎn)業(yè)化有較大的差距。SiC JBS二極管和MOSFET晶體管由于其性能優(yōu)越，成為目前應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化成熟度最高的SiC功率器件。

隨著國(guó)際上 SiC 功率器件技術(shù)的進(jìn)步和制造工藝從 4英寸升級(jí)到 6英寸，器件產(chǎn)業(yè)化水平不斷提高，SiC 功率器件的成本迅速下降。全球 SiC 功率器件市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。2017 年全球 SiC 功率器件（主要是SiC JBS和MOSFET）的市場(chǎng)接近17億美元。Yole 公司曾預(yù)測(cè)（圖 2）[8]，2017—2020 年，SiC器件的復(fù)合年均增長(zhǎng)率超過(guò) 28%，2020 年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到 35 億元美元，并以超過(guò) 40% 的復(fù)合年均增長(zhǎng)率繼續(xù)快速增長(zhǎng)；預(yù)計(jì)到 2025 年，全球 SiC 功率器件市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò) 150 億美元，SiC 的年均增長(zhǎng)率會(huì)達(dá)到 30%，將占功率器件市場(chǎng)總額的 13%，新能源汽車所使用的 SiC 將占 SiC 市場(chǎng)總份額的65%；到 2030 年，全球 SiC 功率器件市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò) 500 億元美元，其中國(guó)內(nèi) SiC 器件的市場(chǎng)將占據(jù)國(guó)際市場(chǎng)的40%~50%。

一文讀懂：第三代半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)狀和投資機(jī)遇的圖2

目前，國(guó)際上主要的 SiC功率器件產(chǎn)業(yè)化公司有美國(guó) Wolfspeed（Cree 旗下公司）、德國(guó) Infineon、日本 Rohm、歐洲的意法半導(dǎo)體（ST Microelectron?ics）、日本三菱（Mitsubishi），這幾家大公司約占國(guó)際市場(chǎng)的 90%，另外，美國(guó)通用電氣（GE）、日本豐田（Toyota）、日本富士（Fuji）、日本東芝（Toshiba）、MicroSemi、USCi、GeneSiC等公司也開發(fā)了SiC功率器件產(chǎn)品。在SiC二極管產(chǎn)品方面，美國(guó)Wolfspeed（包括 Cree）、德國(guó) Infineon 公司已經(jīng)推出了五代SiC JBS產(chǎn)品；其中Wolfspeed的第四代及以前的產(chǎn)品為平面型，第五代為溝槽型，并且在第五代 650V 器件中采用晶圓減薄工藝將 SiC 晶圓由 370 μm減薄至 180 μm，進(jìn)一步提高了器件的性能。Rohm公司開發(fā)了三代 SiC二極管，最新產(chǎn)品也采用了溝槽型結(jié)構(gòu)。Infineon 公司的前四代 SiC 二極管以600、650 V產(chǎn)品為主，從第五代開始推出1200 V產(chǎn)品，即將推出第六代低開啟電壓的 SiC JBS 產(chǎn)品[9]。

在 MOSFET 器件方面，Wolfspeed 公司推出 600、1200 和 1700 V 共 3 個(gè)電壓等級(jí)、幾十款平面柵MOSFET 器件產(chǎn)品，電流從 1~50 A 不等；2017 年 3月，美國(guó) Wolfspeed 公司發(fā)布了 900 V/150 A 的 SiCMOSFET 芯片，是目前單芯片電流容量最大的 SiCMOSFET產(chǎn)品；Rohm公司的SiC MOSFET產(chǎn)品有平面柵和溝槽柵兩類，電壓等級(jí)有 650 和 1200 V；意法半導(dǎo)體開發(fā)了 650 和 1200 V 這 2 個(gè)電壓等級(jí)的SiC MOSFET產(chǎn)品，Infineon公司也推出了溝槽柵的1200 V SiC MOSFET 產(chǎn)品。另外，GeneSiC 公司開發(fā)了 1200 和 1700 V 的 SiC BJT 產(chǎn)品，Infineon 和USCi公司開發(fā)了 1200 V的 SiC JFET產(chǎn)品[10]。在研發(fā)領(lǐng)域，國(guó)際上已經(jīng)開發(fā)了 10 kV 以上的 JBS、MOSFET、JFET、GTO 等器件樣品，以及 20 kV 以上的pin、GTO和IGBT器件樣品，由于受到SiC材料缺陷水平、器件設(shè)計(jì)技術(shù)、芯片制造工藝、器件封裝驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及市場(chǎng)需求的制約，以上高壓器件短期內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

為了進(jìn)一步提升 SiC功率器件的電流容量，通常采用模塊封裝的方法把多個(gè)芯片進(jìn)行并聯(lián)集成封裝。SiC 功率模塊首先是從由硅 IGBT 芯片和SiC JBS二極管芯片組成的混合功率模塊產(chǎn)品發(fā)展起來(lái)的[11]。隨著 SiC MOSFET 器件的成熟，Wolf?speed、Infineon、三菱、Rohm 等公司開發(fā)了由 SiCJBS二極管和 MOSFET組成的全 SiC功率模塊。目前，國(guó)際上 SiC 功率模塊產(chǎn)品最高電壓等級(jí) 3300V，最大電流 700 A，最高工作溫度 175℃。在研發(fā)領(lǐng)域，全 SiC 功率模塊最大電流容量達(dá)到 1200 A，最高工作溫度達(dá)到250℃，并采用芯片雙面焊接、新型互聯(lián)和緊湊型封裝等技術(shù)來(lái)提高模塊性能。

“十二五”初期，中國(guó)掀起了研發(fā)第三代功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的熱潮；“十三五”期間，中國(guó)掀起了第三代功率半導(dǎo)體材料和器件產(chǎn)業(yè)化的浪潮[12]。中國(guó)在“十三五”期間新能源汽車電驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域設(shè)置了 3 個(gè)重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)，從下游應(yīng)用端拉動(dòng) SiC 功率器件的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。中國(guó) SiC 產(chǎn)業(yè)鏈如圖 3 所示，與 Cree、Rohm 類似的全流程布局的有三安光電、世紀(jì)金光公司；主要負(fù)責(zé) SiC 襯底生產(chǎn)的企業(yè)有天科合達(dá)、山東天岳；負(fù)責(zé) SiC 外延片生產(chǎn)的有東莞天域、廈門瀚天天成；負(fù)責(zé)器件設(shè)計(jì)的有臺(tái)灣瀚薪、深圳基本半導(dǎo)體；而以集成器件制造（inte?grated device manufacture, IDM）形式生產(chǎn)器件和模塊的企業(yè)有泰科天潤(rùn)、瑞能半導(dǎo)體、匯川技術(shù)、宇順電子、延輝眾創(chuàng)電子、中國(guó)中車等多家國(guó)有企業(yè)，其產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、新能源汽車以及城市軌道交通等領(lǐng)域，提高了國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的工業(yè)化水平。

一文讀懂：第三代半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)狀和投資機(jī)遇的圖3

2.3 GaN 功率器件的發(fā)展現(xiàn)狀

早在2001年美國(guó)國(guó)防部就推動(dòng)高級(jí)研究計(jì)劃局的寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)計(jì)劃，力求滿足軍方對(duì)小型高功率射頻器件的需求。寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)計(jì)劃嚴(yán)重傾向于軍事應(yīng)用，不計(jì)成本地追求可預(yù)測(cè)性能特性和故障率的可復(fù)制GaN器件[13]。但是，隨著化合物半導(dǎo)體供應(yīng)商不斷完善其生產(chǎn)工藝，計(jì)劃最終可以使政府獲得性能更高、成本更加低廉的射頻（RF）元件。

在民用領(lǐng)域，有線電視運(yùn)營(yíng)商最先開始大規(guī)模地開發(fā)和使用 GaN 功率器件，以在增加帶寬的同時(shí)，通過(guò)提高能源效率降低運(yùn)營(yíng)成本。盡管與GaAs 相比，SiC 基 GaN（GaN-on-SiC）的價(jià)格更高，但是有線電視基礎(chǔ)設(shè)施的成本壓力要比無(wú)線手機(jī)小得多，而且節(jié)省的運(yùn)營(yíng)成本可以超過(guò)增加的購(gòu)置成本。

通過(guò)早期對(duì)GaN功率器件的研究和應(yīng)用，目前SiC 基 GaN 和硅基 GaN 之間的性能差距已經(jīng)顯著縮小，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)高效的硅基GaN功率晶體管如今已與 SiC基 GaN具有同樣的電源效率和熱特性。在無(wú)線基站市場(chǎng)，該性能使得GaN可以撼動(dòng)橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（LDMOS）在基站功率放大器領(lǐng)域幾十年來(lái)的主導(dǎo)地位，并對(duì)基站性能和運(yùn)營(yíng)成本產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。上一代3G基站的功率放大器器件都是基于 LDMOS 的。LDMOS 作為一種成熟且廉價(jià)的技術(shù)，在 4G 基站市場(chǎng)占據(jù)了先機(jī)。隨著時(shí)間的推移，GaN 功率放大器在 4G 領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，GaN 提供的顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)（包括能源效率更高、帶寬更寬、功率密度更大和外形因子更小）使之以LDMOS天然替代者的身份來(lái)服務(wù)于下一代基站，尤其是1.8 GHz以上的手機(jī)頻段。

在 5G 領(lǐng)域中，基于 GaN 的功率放大器更是取得了蓬勃的發(fā)展，目前中國(guó)基站廠商在中國(guó) 5G 系統(tǒng)的初期部署中均采用了基于 GaN 的功率放大器器件，其他基站廠商也在跟進(jìn)。到 2025 年，整個(gè)GaN RF 市場(chǎng)將從 7.4 億美元增長(zhǎng)到超過(guò) 20 億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為 12％。電信基礎(chǔ)設(shè)施和軍用雷達(dá)是 RF GaN 的主要驅(qū)動(dòng)力。中國(guó)在 2019 年建造了13萬(wàn)個(gè)5G基站，并在2020年預(yù)計(jì)建設(shè)至少50萬(wàn)個(gè)使用 GaN功率放大器 5G基站。到 2024年，中國(guó)的目標(biāo)是部署 600 萬(wàn)個(gè)系統(tǒng)。日本、韓國(guó)、美國(guó)和其他國(guó)家也正在大力推動(dòng)5G[14]。

目前全球有超過(guò)30家企業(yè)從事GaN半導(dǎo)體的研發(fā)，其中，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)的企業(yè)僅有 10 家左右。如圖 4 所示，GaN 器件產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)依次為：GaN 單晶襯底（或 SiC、藍(lán)寶石、Si）→GaN 材料外延→器件設(shè)計(jì)→器件制造。目前產(chǎn)業(yè)以 IDM 企業(yè)為主，但是設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)已經(jīng)開始出現(xiàn)分工，如傳統(tǒng)硅晶圓代工廠臺(tái)積電開始提供 GaN 制程代工服務(wù)，國(guó)內(nèi)的三安集成公司也有成熟的GaN制程代工服務(wù)。

GaN襯底主要由日本公司主導(dǎo)，日本住友電工的市場(chǎng)份額達(dá)到 90% 以上。國(guó)內(nèi)已經(jīng)小批量生產(chǎn)2英寸襯底，具備 4英寸襯底生產(chǎn)能力，并開發(fā)出 6英寸襯底樣品，國(guó)內(nèi)的納維科技、中鎵半導(dǎo)體公司也有能力生產(chǎn)提供相關(guān)的產(chǎn)品。

GaN 外延片相關(guān)企業(yè)主要有比利時(shí)的 Epi?GaN、英國(guó)的 IQE、日本的 NTT-AT。中國(guó)廠商有蘇州晶湛、蘇州能華和世紀(jì)金光，蘇州晶湛2014年就已研發(fā)出 8 英寸硅基外延片，現(xiàn)階段已能批量生產(chǎn)，2018 年 12 月聚能晶源成功研制了 8 英寸硅基GaN（GaN-on-Si）外延晶圓。

GaN 器件設(shè)計(jì)廠商方面，有美國(guó)的 EPC、MA?COM、Transphom、Navitas，德國(guó)的 Dialog，國(guó)內(nèi)有被中資收購(gòu)的安譜隆（Ampleon）等。全球 GaN 射頻器件獨(dú) 立設(shè) 計(jì) 生產(chǎn) 供應(yīng) 商（IDM）中，住友電工和 Cree 是行業(yè)的龍頭企業(yè)，市場(chǎng)占有率均超過(guò) 30%，其次為 Qorvo 和 MACOM。住友電工在無(wú)線通信領(lǐng)域市場(chǎng)份額較大，其已成為華為核心供應(yīng)商，為華為 GaN 射頻器件最大供應(yīng)商。此外，還有法國(guó) Exagan、荷蘭 NXP、德國(guó)英飛凌、日本三菱電機(jī)、美國(guó)Ⅱ-Ⅵ等。

一文讀懂：第三代半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)狀和投資機(jī)遇的圖4

中國(guó)的GaN發(fā)展雖然起步晚，但在政策不斷支持下 GaN 相關(guān)產(chǎn)業(yè)也在迅速地發(fā)展。2013年的國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863 計(jì)劃）明確將第三代半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用列為重要內(nèi)容。2015和2016年國(guó)家科技重大專項(xiàng)02專項(xiàng)也對(duì)第三代半導(dǎo)體功率器件的研制和應(yīng)用進(jìn)行立項(xiàng)。2017年，北京、江蘇、山東和廣東等地陸續(xù)出臺(tái)促進(jìn)化合物半導(dǎo)體發(fā)展的 62 項(xiàng)相關(guān)政策[15]。國(guó)內(nèi)已經(jīng)形成了第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的聚集區(qū)，包括京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角和閩三角。地方政府出臺(tái)“十三五規(guī)劃”“重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”“科技創(chuàng)新規(guī)劃”中涉及第三代半導(dǎo)體條款的政策有30條。在政策的支持下中國(guó)企業(yè)目前可以小批量生產(chǎn) 2英寸襯底，具備 4英寸襯底生產(chǎn)的能力，開發(fā)出了 6 英寸樣品，并在建多個(gè)與第三代半導(dǎo)體相關(guān)的研發(fā)中試平臺(tái)。

3 第三代半導(dǎo)體應(yīng)用成果

3.1 SiC 器件應(yīng)用成果

由于 SiC功率器件在應(yīng)用中有高轉(zhuǎn)化效率、功率密度大、高頻對(duì)外圍組件體積的減少、耐高溫、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，因此其在電力轉(zhuǎn)換需求頻繁、對(duì)電力轉(zhuǎn)換組件有體積或質(zhì)量要求、相對(duì)高溫的使用環(huán)境上有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前 SiC 功率器件主要應(yīng)用領(lǐng)域有各類電源及服務(wù)器，光伏逆變器，風(fēng)電逆變器，新能源汽車的車載充電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、直流充電樁，變頻空調(diào)，軌道交通，軍工等。

在新能源汽車領(lǐng)域，采用 SiC功率器件因其對(duì)電能較高的轉(zhuǎn)化效率可以提升電池的能量利用率；同時(shí)，因其功率密度大、高頻率可減少電力轉(zhuǎn)化模塊的體積和質(zhì)量，也因其對(duì)高溫的耐受能力更強(qiáng)使其節(jié)省了散熱組件，實(shí)現(xiàn)了整車輕量化。綜合來(lái)看，采用 SiC功率器件可使新能源汽車在同樣的電池容量下實(shí)現(xiàn)更高的續(xù)航里程。2015 年，特斯拉Model 3開始采用分立SiC MOSFET的電機(jī)控制器，（圖 5（a））。在 2016 年，日本豐田和電裝聯(lián)合研發(fā)的 SiC電機(jī)控制器，能量損耗較先前的產(chǎn)品降低了10%；日本羅姆公司為 Formula E 方程式賽車提供了全 SiC 控制器，相比 IGBT 控制器，體積減小了43%，質(zhì)量減小 6 kg[16]。與此同時(shí)國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也在積極研究SiC控制器的應(yīng)用

2017年，中國(guó)科學(xué)院電工研究所開發(fā)出 600 VDC、峰值功率 85 kW 的SiC 電機(jī)控制器樣件。2018 年，特斯拉 Model 3 采用了意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的 SiC逆變器，是第一家在主逆變器中集成全SiC功率模塊的車企[17]。同年精進(jìn)電動(dòng)研發(fā)出 600 VDC、峰值 120 kW 水冷 SiC 電機(jī)控制器，而 2020 年 7 月新上市的比亞迪-漢 EV 也搭載了高性能SiC-MOSFET控制模塊（圖5（b）），功率密度超過(guò) 30 kW/L。2020 年 11 月精進(jìn)電動(dòng)宣布其300~600 kW 系列 SiC MOSFET 控制器（圖 5（c）），獲得了德國(guó)大眾商用車公司 TRATON 集團(tuán)客車和重卡等電動(dòng)化商用車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的量產(chǎn)合同，功率密度大于 40 kW/L，在不同工況下比硅基控制器節(jié)能3%~6%。

一文讀懂：第三代半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)狀和投資機(jī)遇的圖5

另外，因高功率直流充電樁在快速充電方面的優(yōu)勢(shì)，SiC 功率器件以其高轉(zhuǎn)化效率、功率密度大、耐高溫、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，更適合用在高頻次使用的直流充電樁上，以降低電能損耗、節(jié)省充電樁體積、提高充電速率、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。并且當(dāng)前 SiC 功率器件做成的充電樁功率模組雖然在器件成本上相較于Si基器件貴3~5倍，但由于減少了外圍電容、電感等其他組件，使得總體器件數(shù)量為Si基的 1/2 左右，系統(tǒng)成本僅比充電樁硅基模組高10% ~ 20% 。相較于折舊增加帶來(lái)的成本，電力節(jié)約而節(jié)省的成本更為突出，使得在專用充電樁領(lǐng)域SiC替代Si基功率器件有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

在綠色能源領(lǐng)域，光伏發(fā)電是產(chǎn)生直流電，若要并入電網(wǎng)則需要逆變成交流電，這個(gè)電能轉(zhuǎn)換過(guò)程便需要功率器件的參與。SiC功率模塊與采用Si基IGBT的功率模塊相比，可將開關(guān)損失降低85%，采用 SiC功率器件可直接提升電能的轉(zhuǎn)化效率，增加其并網(wǎng)發(fā)電收入。風(fēng)力發(fā)電是先產(chǎn)生頻率、電壓、電流不穩(wěn)定的交流電，經(jīng)過(guò)整流成為直流電后再統(tǒng)一逆變成可并網(wǎng)的交流電，整個(gè)電能轉(zhuǎn)換過(guò)程需要經(jīng)過(guò)整流、逆變兩步，因此采用轉(zhuǎn)化效率更高的 SiC 功率器件能更好地提升風(fēng)能的利用效率。同時(shí)，SiC 功率器件因其材料特性使用壽命比硅基器件更久，也更耐受極端環(huán)境，更適合光伏、風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。

在軌道交通領(lǐng)域中，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多家公司和科研院所都關(guān)注 SiC 器件在牽引變流器系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，其中一些機(jī)構(gòu)已經(jīng)將產(chǎn)品市場(chǎng)化并在軌道列車上安裝運(yùn)行。三菱電機(jī)公司開發(fā)了一款適用于軌道列車牽引系統(tǒng)的 3.3 kV全 SiC功率模塊，通過(guò)將該高耐壓全 SiC 功率模塊應(yīng)用于軌道車逆變器系統(tǒng)中的主電路系統(tǒng)，主電路系統(tǒng)可以比現(xiàn)有系統(tǒng)節(jié)約大約 30% 的功率。2013 年，三菱電機(jī)公司宣布推出一款用于1500 V直流懸鏈線的軌道車牽引逆變器系統(tǒng)（圖6[18）， ] 該系統(tǒng)采用全SiC功率模塊，開關(guān)損耗比三菱電機(jī)采IGBT 功率模塊的傳統(tǒng)逆變器系統(tǒng)約低 55%。該系統(tǒng)還通過(guò)在廣泛的速度范圍內(nèi)使用再生制動(dòng)器提高再生能量。得益于這些解決方案，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，鐵路車輛系統(tǒng)（包括其電機(jī)）的總能耗降低了約30%。與具有IG?BT 功率模塊的傳統(tǒng)逆變器系統(tǒng)相比，尺寸和質(zhì)量減小約 65%，與具有 SiC 二極管的現(xiàn)有混合逆變器系統(tǒng)相比減小約30%[19]。

一文讀懂：第三代半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)狀和投資機(jī)遇的圖6

在大型服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心或比特幣礦場(chǎng)中，電費(fèi)是主要的運(yùn)營(yíng)成本，在其運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)負(fù)載設(shè)備的需要會(huì)進(jìn)行頻繁的電能轉(zhuǎn)換，功率器件是這類設(shè)備電源的主要組成部分。因?yàn)?SiC 功率器件在電能轉(zhuǎn)換上的高效率、耐高溫、使用壽命長(zhǎng)的特性，使其在這類 IT 應(yīng)用中能為使用者節(jié)省大量能耗、替換維護(hù)成本。

除上述領(lǐng)域之外，在家電、軍工、航空航天、工業(yè)控制、智能電網(wǎng)等諸多領(lǐng)域 SiC功率器件因其自身高性能的優(yōu)勢(shì)也有初步使用或研發(fā)跟進(jìn)。綜合來(lái)看，新能源汽車、綠色能源、大型服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域?qū)?SiC功率器件的需求較為迫切，且有一定成熟應(yīng)用，其他領(lǐng)域也在逐步推進(jìn)（表 1），總體上市場(chǎng)對(duì)高性能的 SiC 功率器件保持持續(xù)的需求增長(zhǎng)狀態(tài)。

3.2 GaN 器件的應(yīng)用成果

GaN 功率器件具有禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、耐高溫、抗輻射、耐酸堿、高強(qiáng)度和高硬度等特性，并且器件制造技術(shù)的突破使得 GaN 器件的成本得到控制，使得 GaN 功率器件目前已經(jīng)在新能源汽車、半導(dǎo)體照明、新一代移動(dòng)通信和消費(fèi)電子領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

GaN具備導(dǎo)通電阻小、損耗低以及能源轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，由GaN制成的充電器可以做到更高的功率密度。安卓端率先將 GaN 技術(shù)導(dǎo)入到快充領(lǐng)域，隨著 GaN 生產(chǎn)成本迅速下降，GaN 快充有望成為消費(fèi)電子領(lǐng)域下一個(gè)殺手級(jí)應(yīng)用。預(yù)計(jì)全球GaN 功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模從 2018 年的 873 萬(wàn)美元增長(zhǎng)到 2024 年的 3.5 億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到85%。2019 年 9 月，OPPO 發(fā)布國(guó)內(nèi)首款 GaN 充電器SuperVOOC 2.0，充電功率為65 W；2020年2月，小米推出 65 W GaN 充電器，體積比小米筆記本充電器縮小48％，并且售價(jià)創(chuàng)下業(yè)內(nèi)新低。

在射頻微波領(lǐng)域，GaN 熔點(diǎn)在 1700℃，頻率目前可達(dá)到 25 GHz，功率達(dá)到 1800 W，在航空航天、微波雷達(dá)、衛(wèi)星通信，5G通信有非常大的優(yōu)勢(shì) 。通過(guò)采用 GaN 功率器件能夠有效地改善發(fā)射天線的設(shè)計(jì)，減少發(fā)射組件的數(shù)目和放大器的級(jí)數(shù)等，有效降低雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)的成本。目前，GaN已經(jīng)開始取代GaAs作為新型雷達(dá)和干擾機(jī)的T/R（收/發(fā)）模塊電子器件材料。美國(guó)下一代的固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)（AMDR）便采用了 GaN 半導(dǎo)體功率器件。并且在5G領(lǐng)域，GaN功率器件已經(jīng)成為5G基站中的功率放大器和其他射頻器件的重要支撐點(diǎn)，在中國(guó)2019 年建設(shè)的 13 萬(wàn)個(gè) 5G 基站中，已經(jīng)全面使用GaN 功率放大器，并在 2020 年預(yù)計(jì)建設(shè)至少 50 萬(wàn)個(gè)使用 GaN功率放大器的 5G基站。到 2024年，中國(guó)的目標(biāo)是部署 600 萬(wàn)個(gè)系統(tǒng)。日本、韓國(guó)、美國(guó)和其他國(guó)家也正在大力推動(dòng)5G。

GaN 具有較寬的禁帶寬度（3.4 eV）及利用藍(lán)寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。隨著對(duì)Ⅲ族氮化物材料和器件研究與開發(fā)工作的不斷深入，GaInN 超高度藍(lán)光、綠光 LED 技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，現(xiàn)在世界各大公司和研究機(jī)構(gòu)都紛紛投入巨資加入到開發(fā)藍(lán)光LED的競(jìng)爭(zhēng)行列。

在探測(cè)器方面，已研制出 GaN 紫外探測(cè)器，波長(zhǎng)為 369 nm，其響應(yīng)速度與 Si 探測(cè)器不相上下。但這方面的研究還處于起步階段。GaN 探測(cè)器將在導(dǎo)彈預(yù)警、衛(wèi)星秘密通信、各種環(huán)境監(jiān)測(cè)、化學(xué)生物探測(cè)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。在激光器方面，GaN基激光器可以覆蓋到很寬的頻譜范圍，實(shí)現(xiàn)藍(lán)、綠和紫外激光器的制造。紫色激光器可用于制造大容量光盤，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)盤空間比藍(lán)光光盤高出20倍。

除此之外，紫色激光器還可用于醫(yī)療消毒、熒光激勵(lì)光源等應(yīng)用，總計(jì)市場(chǎng)容量為12億美元；藍(lán)色激光器可以和現(xiàn)有的紅色激光器、倍頻全固化綠色激光器一起，實(shí)現(xiàn)全真彩顯示，使激光電視實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

4 第三代半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵問(wèn)題

在 5G 和新能源汽車等新市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)下，第三代半導(dǎo)體材料有望迎來(lái)加速發(fā)展。硅基半導(dǎo)體的性能已無(wú)法完全滿足 5G 和新能源汽車的需求，SiC 和 GaN 等第三代半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)被放大。另外，制備技術(shù)的進(jìn)步使得 SiC和 GaN器件成本不斷下降，SiC 和 GaN 的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)將充分顯現(xiàn)。初步判斷，第三代半導(dǎo)體未來(lái)的核心增長(zhǎng)點(diǎn)將集中在SiC和GaN各自占優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域。

在美國(guó)能源部部署的新能源車開發(fā)項(xiàng)目中，60% 的項(xiàng)目與 SiC 器件應(yīng)用相關(guān)。歐洲也制定了SiC 技術(shù)應(yīng)用的 ES-CAPEE 計(jì)劃和 E3Car 計(jì)劃，希望突破 SiC 單晶材料生長(zhǎng)技術(shù)、器件設(shè)計(jì)、器件制作以及應(yīng)用技術(shù)[20]。日本以三菱、電裝、富士為首的各大汽車部件供貨商均已開發(fā)出各自的 SiC 芯片及高效 SiC 控制器。CASA 發(fā)布的《第三代半導(dǎo)體電力電子技術(shù)路線（2019）》顯示，受益于技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)規(guī)模化的影響，SiC 功率器件最主要的原材料成本——SiC 襯底、外延片的價(jià)格近年來(lái)持續(xù)下降，主要表現(xiàn)為在近期5年內(nèi)，襯底、外延片單位面積價(jià)格會(huì)伴隨直徑 200 mm 襯底的快速推廣，小幅度下調(diào)，在大部分襯底提供商完成低缺陷密度單晶生長(zhǎng)工藝及厚單晶生長(zhǎng)工藝研發(fā)后，外延片提供商優(yōu)化外延生長(zhǎng)工藝及采用快速外延生長(zhǎng)技術(shù)后，襯底、外延片單位面積價(jià)格會(huì)迎來(lái)相對(duì)快速的降低。未來(lái)隨著 SiC 襯底、外延片尺寸的增大，單位面積價(jià)格將進(jìn)一步降低。

SiC和GaN等寬禁帶電力電子器件代表著電力電子器件領(lǐng)域發(fā)展方向，隨著時(shí)間的發(fā)展，寬禁帶半導(dǎo)體器件制備中材料和工藝上的問(wèn)題必將得到逐步解決。但是即使這些問(wèn)題都得到解決，寬禁帶電力電子器件的價(jià)格肯定還是比硅基器件要貴。由于它們的優(yōu)異特性可能主要用于中高端應(yīng)用，與Si 全控器件不可能全部取代 Si 半控器件一樣，SiC和 GaN 寬禁帶電力電子器件在將來(lái)也不太可能全面取代 Si功率 MOSFET、IGBT 和 GTO（包括集成門極換流晶閘管（IGCT））。SiC電力電子器件將主要用于 600 V以上的高壓工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域；GaN電力電子器件將主要用于600 V以下的消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)/服務(wù)器電源應(yīng)用領(lǐng)域。

寬禁帶功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈主要包含單晶材料、外延材料、器件、模塊和應(yīng)用這幾個(gè)環(huán)節(jié)。其中，單晶材料是寬禁帶功率半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，主要技術(shù)指標(biāo)有單晶直徑、微管密度、單晶電阻率、表面粗糙度、翹曲度等；外延材料是實(shí)現(xiàn)器件制造的關(guān)鍵，主要技術(shù)指標(biāo)有外延片直徑、外延層厚度、外延層摻雜濃度和表面缺陷密度等；器件是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的核心，主要技術(shù)指標(biāo)有阻斷電壓、單芯片導(dǎo)通電流/電阻、阻斷狀態(tài)的漏電流、工作溫度等；模塊是實(shí)現(xiàn)器件應(yīng)用的橋梁，主要技術(shù)指標(biāo)有模塊容量、熱阻、寄生參數(shù)和驅(qū)動(dòng)保護(hù)等；應(yīng)用是寬禁帶功率半導(dǎo)體器件和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的源動(dòng)力，主要技術(shù)指標(biāo)是開關(guān)頻率、轉(zhuǎn)換效率和功率密度等。以 SiC 為例，在寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上還存在以下問(wèn)題。

1）大尺寸 SiC 單晶襯底制備技術(shù)仍不成熟。 目前國(guó)際上 SiC 芯片的制造已經(jīng)從 4英寸換代到 6英寸，并已經(jīng)開發(fā)出了8英寸SiC單晶樣品，與先進(jìn)的硅功率半導(dǎo)體器件相比，單晶襯底尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。并且缺乏更高效的 SiC單晶襯底加工技術(shù)。SiC單晶襯底材料線切割工藝存在材料損耗大、效率低等缺點(diǎn)，必須進(jìn)一步開發(fā)大尺寸 SiC晶體的切割工藝，提高加工效率。襯底表面加工質(zhì)量的好壞直接決定了外延材料的表面缺陷密度，而大尺寸 SiC襯底的研磨和拋光工藝仍不能滿足要求，需要進(jìn)一步開發(fā)研磨、拋光工藝參數(shù)，降低晶圓表面粗糙度。

p 型襯底技術(shù)的研發(fā)較為滯后。目前商業(yè)化的 SiC 產(chǎn)品是單極型器件。未來(lái)高壓雙極型器件需要 p 型襯底。目前 SiC p 型單晶襯底缺陷較高、電阻率較高，其基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題尚未得到突破，技術(shù)開發(fā)滯后。近年來(lái)，中國(guó) SiC單晶材料領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但與國(guó)際水平相比仍存在一定的差距。除了以上共性問(wèn)題以外，中國(guó) SiC 單晶材料領(lǐng)域在以下 2個(gè)方面存在巨大的風(fēng)險(xiǎn)：一是 SiC單晶企業(yè)無(wú)法為國(guó)內(nèi)已經(jīng)/即將投產(chǎn)的 6英寸芯片工藝線提供高質(zhì)量的 6 英寸單晶襯底材料；二是 SiC 材料的檢測(cè)設(shè)備完全被國(guó)外公司所壟斷。

2）n 型 SiC 外延生長(zhǎng)技術(shù)有待進(jìn)一步提高 。目前外延材料生長(zhǎng)過(guò)程中氣流和溫度控制等技術(shù)仍不完美，在 6 英寸 SiC 單晶襯底上生長(zhǎng)高均勻性的外延材料技術(shù)仍有一定挑戰(zhàn)，一定程度影響了中低壓 SiC 芯片良率的提高。p 型 SiC 外延技術(shù)仍不成熟。高壓 SiC 功率器件是雙極型器件，對(duì) p 型重?fù)诫s外延材料提出了要求，目前尚無(wú)滿足需求的低缺陷、重?fù)诫s的p型SiC外延材料。

近年來(lái)中國(guó) SiC 外延材料技術(shù)獲得了長(zhǎng)足進(jìn)展，申請(qǐng)了一系列的專利，正在縮小與其他國(guó)家的差距，已經(jīng)開始批量采用本土 4 英寸單晶襯底材料，產(chǎn)品已經(jīng)打入國(guó)際市場(chǎng)。但是，目前國(guó)內(nèi) SiC外延材料產(chǎn)品以4英寸為主，由于受單晶襯底材料的局限，尚無(wú)法批量供貨 6 英寸產(chǎn)品。并且 SiC 外延材料加工設(shè)備全部進(jìn)口，將制約中國(guó)獨(dú)立自主產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大。

3）雖然國(guó)際上 SiC 器件技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化水平發(fā)展迅速， 開始了小范圍替代硅基二極管和 IGBT 的市場(chǎng)化進(jìn)程，但是 SiC功率器件的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)尚未完全形成，尚不能撼動(dòng)目前硅功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)上的主體地位。國(guó)際 SiC 器件領(lǐng)域存在的問(wèn)題主要有：SiC單晶及外延技術(shù)還不夠完美，高質(zhì)量的厚外延技術(shù)不成熟，這使得制造高壓 SiC 器件非常困難，而外延層的缺陷密度又制約了 SiC功率器件向大容量方向發(fā)展；SiC器件工藝技術(shù)水平還比較低，這是制約 SiC 功率器件發(fā)展和推廣實(shí)現(xiàn)的技術(shù)瓶頸，特別是高溫大劑量高能離子注入工藝、超高溫退火工藝、深槽刻蝕工藝和高質(zhì)量氧化層生長(zhǎng)工藝尚不理想，使得 SiC功率器件中存在不同程度的高溫和長(zhǎng)期工作條件下可靠性低的缺陷；在 SiC功率器件的可靠性驗(yàn)證方面，其試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法基本沿用 Si器件，尚未有專門針對(duì) SiC功率器件特點(diǎn)的可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法，導(dǎo)致試驗(yàn)情況與實(shí)際使用的可靠性有差距；在 SiC 功率器件測(cè)試方面，SiC器件測(cè)試設(shè)備、測(cè)試方法和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)基本沿用 Si 器件的測(cè)試方法，導(dǎo)致 SiC 器件動(dòng)態(tài)特性、安全工作區(qū)等測(cè)試結(jié)果不夠準(zhǔn)確，缺乏統(tǒng)一的測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

除了以上共性問(wèn)題外，中國(guó) SiC功率器件領(lǐng)域發(fā)展還存在研發(fā)時(shí)間短，技術(shù)儲(chǔ)備不足，進(jìn)行 SiC功率器件研發(fā)的科研單位較少，研發(fā)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)水平跟國(guó)外還有一定的差距等問(wèn)題，特別是在以下 3個(gè)方面差距巨大：（1）在 SiC MOSFET 器件方面的研發(fā)進(jìn)展緩慢，只有少數(shù)單位具備獨(dú)立的研發(fā)能力，存在一定程度上依賴國(guó)際代工企業(yè)制造芯片的弊病，容易受制于人，產(chǎn)業(yè)化水平不容樂(lè)觀。（2）SiC 芯片主要的工藝設(shè)備基本上被國(guó)外公司所壟斷，特別是高溫離子注入設(shè)備、超高溫退火設(shè)備和高質(zhì)量氧化層生長(zhǎng)設(shè)備等，國(guó)內(nèi)大規(guī)模建立 SiC工藝線所采用的關(guān)鍵設(shè)備基本需要進(jìn)口。（3）SiC 器件高端檢測(cè)設(shè)備被國(guó)外所壟斷。

4）當(dāng)前 SiC 功率模塊主要有引線鍵合型和平面封裝型 2 種。 為了充分發(fā)揮 SiC 功率器件的高溫、高頻優(yōu)勢(shì)，必須不斷降低功率模塊的寄生電感、降低互連層熱阻，并提高芯片在高溫下的穩(wěn)定運(yùn)行能力。目前 SiC 功率模塊存在的主要問(wèn)題：（1）采用多芯片并聯(lián)的 SiC 功率模塊，由于結(jié)電容小、開關(guān)速度高，因此在開關(guān)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)極高的電流上升率（di/dt）和電壓上升率（du/dt），在這種情況下會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的電磁干擾和額外損耗，無(wú)法發(fā)揮 SiC器件的優(yōu)良性能；SiC 功率模塊的封裝工藝和封裝材料基本沿用了硅功率模塊的成熟技術(shù)，在焊接、引線、基板、散熱等方面的創(chuàng)新不足，功率模塊雜散參數(shù)較大，可靠性不高。（2）SiC功率高溫封裝技術(shù)發(fā)展滯后。目前 SiC器件高溫、高功率密度封裝的工藝及材料尚不完全成熟。為了發(fā)揮 SiC 功率器件的高溫優(yōu)勢(shì)，必須進(jìn)一步研發(fā)先進(jìn)燒結(jié)材料和工藝，在高溫、高可靠封裝材料及互連技術(shù)等方面實(shí)現(xiàn)整體突破。

5）SiC 功率器件的驅(qū)動(dòng)技術(shù)尚不成熟 。為了充分發(fā)揮 SiC 功率器件的高頻、高溫特性，要求其驅(qū)動(dòng)芯片具有工作溫度高、驅(qū)動(dòng)電流大和可靠性高的特點(diǎn)，目前 SiC功率器件的驅(qū)動(dòng)芯片及驅(qū)動(dòng)電路仍然沿用硅器件的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，尚不能發(fā)揮 SiC功率器件高溫、高頻的工作特性，使得 SiC 功率器件在實(shí)際使用過(guò)程中難以達(dá)到設(shè)計(jì)的極限性能。

6）SiC器件的應(yīng)用模型尚不能全面反映SiC器件的物理特性。 目前 SiC 器件物理特性的數(shù)學(xué)模型主要有基于模擬等效電路的數(shù)學(xué)模型和基于物理模型的數(shù)學(xué)模型。基于模擬等效電路的模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是精度難以保證，一般只適合于對(duì)精度要求較低的常規(guī)工業(yè)場(chǎng)合。基于物理模型的數(shù)學(xué)模型能夠描述 SiC器件內(nèi)部物理特性的變化規(guī)律，但是其形式非常復(fù)雜，計(jì)算量巨大，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)SiC器件特性的在線快速仿真和計(jì)算。目前在工業(yè)應(yīng)用中所使用的 SiC 器件模型是將兩種模型結(jié)合在一起，采用半經(jīng)驗(yàn)短溝道模型對(duì)功率元件的物理特性進(jìn)行分析，既簡(jiǎn)化了物理模型的復(fù)雜程度，又提高了等效模型的計(jì)算精度。并在研究過(guò)程中通過(guò)不斷改進(jìn)半物理模型來(lái)提高 SiC 功率器件模型的準(zhǔn)確性，但上述半物理模型仍是局限于對(duì)傳統(tǒng)硅功率器件物理模型的部分缺陷進(jìn)行的改進(jìn)，并沒有針對(duì) SiC 功率器件的物理模型進(jìn)行分析，缺少對(duì) SiC功率器件內(nèi)部特性和輸出特性的全面性的研究，目前SiC功率器件數(shù)學(xué)模型的精度尚不能對(duì)SiC器件的電路拓?fù)浞抡嬖O(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)。

這些內(nèi)容將是未來(lái)中國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)亟待解決的問(wèn)題和研究方向。預(yù)計(jì)新能源汽車電機(jī)控制器、DC/DC 電源、充電機(jī)等將是第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體下游應(yīng)用端的主要市場(chǎng)拉動(dòng)力。為此在中國(guó)工業(yè)和信息化部指導(dǎo)下，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)牽頭的《節(jié)能與新能源技術(shù)路線圖2.0》的電驅(qū)動(dòng)技術(shù)路線圖中給出了 SiC MOSFET 的技術(shù)路線圖（圖7）[21]。在總體目標(biāo)、主要指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù) 3個(gè)維度給出了2025、2030、2035年這3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，為產(chǎn)業(yè)鏈提供方向和路線上的參考。

5 結(jié)論

在目前的三代半導(dǎo)體領(lǐng)域中，中國(guó)在以Si為代表的第一代半導(dǎo)體材料和國(guó)際一線水平差距最大，在生產(chǎn)設(shè)備方面幾乎所有的晶圓代工廠都會(huì)用到美國(guó)公司的設(shè)備，2019年全球前5名芯片設(shè)備生產(chǎn)商3家來(lái)自美國(guó)；而中國(guó)的北方華創(chuàng)、中微半導(dǎo)體、上海微電子等中國(guó)優(yōu)秀的芯片公司只是在刻蝕設(shè)備、清洗設(shè)備、光刻機(jī)等部分細(xì)分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，設(shè)備領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)化率還不到20%。在應(yīng)用材料方面，美國(guó)已連續(xù)多年位列第一，中國(guó)的高端光刻膠幾乎依賴進(jìn)口，全球五大硅晶圓的供應(yīng)商占據(jù)了高達(dá)92.8%的產(chǎn)能，美國(guó)、日本、韓國(guó)的公司具有壟斷地位。

在生產(chǎn)代工方面，2019 年臺(tái)積電市場(chǎng)占有率高達(dá) 52%，韓國(guó)三星占了18% 左右，中國(guó)最優(yōu)秀的芯片制造公司中芯國(guó)際只占 5%，且在制程上與前面2個(gè)頭部公司有8~10年的差距。但是，在以 GaAs 為代表的第二代半導(dǎo)體領(lǐng)域中國(guó)已有突破跡象。在 GaAs 三大產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)（晶圓、晶圓制造代工、核心元器件），目前都以歐美、日本和中國(guó)臺(tái)灣廠商為主導(dǎo)。中國(guó)大陸企業(yè)起步晚，在產(chǎn)業(yè)鏈中話語(yǔ)權(quán)不強(qiáng)。不過(guò)從3個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)看，已經(jīng)有突破跡象。華為已經(jīng)實(shí)現(xiàn)將手機(jī)射頻關(guān)鍵部件——功率放大器（PA）通過(guò)自己研發(fā)然后轉(zhuǎn)單給三安光電代工。

在以 GaN 和 SiC為代表第三代半導(dǎo)體方面，中國(guó)有追趕和超車的機(jī)會(huì)。由于第三代半導(dǎo)體材料研究于 21 世紀(jì)初開始產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，各國(guó)的研究和水平相差不遠(yuǎn)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界和專家認(rèn)為第三代半導(dǎo)體材料成了中國(guó)擺脫集成電路（芯片）被動(dòng)局面、實(shí)現(xiàn)芯片技術(shù)追趕和超車的良機(jī)。例如在汽車產(chǎn)業(yè)，中國(guó)目前已經(jīng)利用發(fā)展新能源汽車的模式拉近和美、歐、日等國(guó)家和地區(qū)的距離，并在某些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了換道超車的局面。第三代半導(dǎo)體材料性能優(yōu)異、未來(lái)應(yīng)用廣泛，中國(guó)目前已有 70 多家企事業(yè)在進(jìn)行第三代半導(dǎo)體的相關(guān)研發(fā)與生產(chǎn)，涉及寬禁帶半導(dǎo)體的單晶襯底材料、外延材料、器件設(shè)計(jì)和制造工藝，但離形成完整產(chǎn)業(yè)鏈尚有較大差距。襯底和外延材料、器件設(shè)計(jì)和制造工藝以及材料質(zhì)量評(píng)價(jià)和性能驗(yàn)證是環(huán)環(huán)相扣、互相推動(dòng)的統(tǒng)一整體。因此需要在國(guó)家政策進(jìn)一步指導(dǎo)之下，發(fā)揮行業(yè)協(xié)會(huì)和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的橋梁和紐帶作用，對(duì)襯底材料、外延材料、器件設(shè)計(jì)和制造工藝等產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)進(jìn)行整體支撐，引導(dǎo)各環(huán)節(jié)間實(shí)現(xiàn)資源共享、強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，上下游互相拉動(dòng)和促進(jìn)，形成一個(gè)布局合理、結(jié)構(gòu)完整的產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)中國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的健康、快速和可持續(xù)發(fā)展。

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