“雙碳”目標下三代半導體的發展分析
2022年1月26日 15:50瀏覽：2426
摘 要：第三代半導體是以碳化硅和氮化鎵為代表，具備高頻率、高效率、高功率、耐高壓、耐高溫、高導熱等優越性能，是新一代移動通信、新能源汽車、高速軌道列車、能源互聯網產業自主創新發展和轉型升級的重點核心材料。通過大力發展第三代半導體，尤其是目前大量應用的碳化硅和氮化鎵，以及探索新一代半導體材料，對支撐碳達峰、碳中和意義重大。
在“雙碳”目標的實現過程中，我國的各個行業都賦予了新的活力，并新興了全新的商業模式。在“雙碳”的背景下，產業結構將面臨深刻的低碳轉型挑戰，能源技術將會引領能源產業變革，實現創新驅動發展[1]。大數據、區塊鏈、人工智能等新技術的快速使用，帶動了數字經濟的高速發展，使得半導體行業更要朝著高性能、低功耗的目標發展，從而帶動消費電子、醫療電子、電力電子、國防裝備電子的更新換代和產業升級。
第三代半導體材料是以碳化硅、氮化鎵為代表，與前兩代半導體材料相比最大的優勢是有著較寬的禁帶寬度，保證了其更高的可擊穿電場強度，適合制備耐高壓、高頻的功率器件，是電動汽車、5G基站、衛星、電力電子和航空航天等新興領域的理想材料，表1為幾種半導體材料的性能參數。
碳化硅材料具有高臨界磁場、高電子飽和速度與極高熱導率等特點，碳化硅器件可適用于高頻高溫的工作場景，相較于硅器件可以顯著降低性能損耗。因此，以碳化硅材料制造的高耐壓、大功率電力電子器件，如MOSFET（
Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，金屬氧化物半導體場效應晶體管
）、IGBT（
Insulated Gate Bipolar Translator，絕緣柵門極晶體管
）、SBD（
Schottky Barrier Diodes，肖特基二極管
）等，用于智能電網、新能源汽車等新興產業。與硅器件相比，氮化鎵材料具備高臨界磁場、高電子飽和速度與極高的電子遷移率等性能，適用于5G通信、微波射頻等領域的應用。
第三代半導體屬于后摩爾定律概念，制程和設備要求相對不高，難點在于第三代半導體材料的制備，同時在設計上沒有優勢。多年來第三代半導體材料只是在小范圍得以應用，其制造設備昂貴、制造工藝難度高以及成本高，無法挑戰Si基半導體的統治地位。但隨著“雙碳”戰略定位，和產業升級的需要，低功耗、高效率、高性能的電子器件必定大有可為，而低功耗、高效率、高性能正是三代半導體最大的特點（
如圖1所示
），相信在未來一段時間將是三代半導體的快速發展期。
國家“雙碳”目標的落地依賴電力系統的改革。第三代半導體功率芯片和器件的固有特性，決定了其在實現光伏、風力等新能源發電、直流特高壓輸電、新能源汽車等電動化交通、工業電源、民用家電等領域的電能高效轉換優勢。
目前電網在新能源發電以及輸變電環節的電力電子設備中所使用的基本都還是硅基器件，而硅基器件的參數性能已接近其材料的物理極限，因而無法擔負起支撐大規模清潔能源生產傳輸和消納吸收的重任。
碳化硅材料制成的功率半導體器件，以其高壓高頻高溫高速的優良特性，能夠大幅提升支撐清潔能源為主體的新型電力系統建設運行所需各類電力電子設備的能量密度，降低成本造價，增強可靠性和適用性，提高電能轉換效率，降低損耗。
針對第三代功率半導體器件（
碳化硅和氮化鎵兩大材料體系
）需求，加速實現第三代半導體全產業鏈的自主可控發展，包括：盡快實現高性能6英寸和8英寸碳化硅單晶襯底和外延材料及其功率器件的量產、6英寸和8英寸硅基氮化鎵外延材料及其功率器件的量產、高性能封裝的器件和模塊量產，以及單晶襯底生長、加工、芯片工藝、封裝、測試等核心檢測儀器和裝備的國產化。加強產業鏈建設，從襯底、外延、芯片到封裝、控制器設計制造以及應用等各環節實現全壽命周期的低碳甚至零碳戰略。原材料、芯片和器件自主可控是第三代寬禁帶功率半導體產業健康發展的基石，也是全產業鏈落實雙碳戰略目標的保障。
氮化鎵是一種直接帶隙半導體，大部分應用于微波射頻、電力和光電子三大領域。受通信基礎設施建設和國防事業應用推動，加上衛星通信、有線寬帶和射頻功率的發展增長，根據測算氮化鎵射頻市場將從2018年的6.45億美元增長到2025年的約50億美元。現行電動汽車的特點是耗電型電驅動，傳統的12 V配電總線負擔增加，對于48 V總線系統，氮化鎵技術可提高效率、減小尺寸并降低生產成本。
綜合來看，氮化鎵在汽車電子方面擁有廣大的應用場景。氮化鎵充電器具有體積小、功率高、導熱性好和支持PD（
Power Delivery，功率傳輸
）協議等優勢，將會在未來壟斷筆記本電腦和手機等充電器市場[2]。隨著中國廠商在65 W快速充電器中采用GaN HEMT（
High Electron Mobility Transistor，高電子遷移率晶體管
），功率型氮化鎵產品正在進入主流消費電子應用。
目前，氮化鎵的制備主要是采用異質外延制備工藝，在異質材料上面外延生長氮化鎵層，技術可靠，能實現產業化。氮化鎵外延層主要通過金屬有機化學汽相沉積(
MOCVD
)、鹵化物氣相外延(
HVPE
)、分子束外延技術(
MBE
)以及懸空外延術(
Pendeo-epitaxy
)等工藝方式制備，其中制備質量效率最高的是金屬有機化學汽相沉積法技術，具有純度高、外延層薄、平整性好、易量產等優點。
隨著大數據運算、新能源汽車、5G通訊以及智能制造等領域崛起，無線充電、無人駕駛等領域應用的興起，對功率器件的運算處理性能提出了更高的要求。半導體廠家對于材料的選擇快速鎖定性能優異的氮化鎵，于是氮化鎵器件的收并購、產業整合等發生了巨大變化，氮化鎵功率半導體已逐步成為關注的焦點。
碳化硅作為第三代半導體器件的重要代表，已在工業、汽車以及國防軍工等領域有著廣泛應用[3]。碳化硅功率器件類型如圖2所示，碳化硅MOSFET器件結構如圖3所示。
如圖4所示，碳化硅產業鏈可分為：碳化硅襯底材料的制備、外延層的生長、器件制造以及下游應用市場，通常采用物理氣相傳輸法（
PVT法
）制備碳化硅單晶，再在襯底上使用化學氣相沉積法（
CVD法
）生成外延片，最后制成器件。在SiC器件的產業鏈中，主要價值量集中于上游碳化硅襯底（
占比50%左右
）。
碳化硅材料具有禁帶寬度大、熱導率高、擊穿電場高等優勢，備受期待。碳化硅是由1:1的硅與碳組合而成的產物，材質堅硬，以新莫氏硬度檢測，可達13（
鉆石為15
），其特點為：
如圖5所示，Si的MOSFET器件電壓隔離區在柵極和漏極之間，隔離區越寬，內阻越大，功率損耗越高。SiC的MOSFET器件將隔離區做的更薄，導通阻值小，從而減小了能量損耗。
在二級管中，以硅做成的肖特基構造電壓可以達到250 V，而碳化硅的則可達到4 000 V；晶體管中，硅的MOSFET常規來說可以做到900~1 500 V，但特性不好，而SiC的器件的電壓可達3 300 V。600 V以上耐壓功率元器件，硅器件中以PN(FRD)、IGBT為代表，其耐壓性、補充導通阻抗可以調節傳導率、因載流子少數積蓄使得恢復變慢；硅器件中以MOSFET為例，SJRON稍微改善、耐壓可達900 V、高速但阻抗大、恢復快；而SiC器件（
如SBD、MOSFET
）具有高耐壓性、外延層導通阻抗小、SW損耗急劇降低的特點。因此認為，若需要低頻高壓，則使用硅器件中的IGBT最好；如果頻率較高，電壓要求低的產品，則使用硅器件中的 MOSFET最好；若是高頻高壓使用SiC器件中的MOSFET是最好；若電壓不需很大，但頻率很高則選用氮化鎵器件中的HEMT。
1）半絕緣型碳化硅襯底：指電阻率高于105 Ω·cm的碳化硅襯底，主要用于制造氮化鎵微波射頻器件。微波射頻器件是無線通訊領域的基礎性零部件，大力發展的5G技術推動了碳化硅襯底需求釋放。
2）導電型碳化硅襯底：指電阻率在15~30 mΩ·cm的碳化硅襯底。由導電型碳化硅襯底生長出的碳化硅外延片可進一步制成功率器件，成為電力電子變換裝置核心器件，廣泛應用于新能源汽車、光伏、智能電網、軌道交通等領域。汽車電動化的趨勢利好于SiC的發展。
1）射頻器件：是在無線通信領域負責信號轉換的部件，如功率放大器、射頻開關、濾波器和低噪聲放大器等。碳化硅基氮化鎵射頻器件具有熱導率高、高頻率、高功率等優點，相較于傳統的硅基LDMOS（
Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor，橫向擴散金屬氧化物半導體
）器件，可以更好地適應5G通信基站、雷達應用等領域低能耗、高效率要求。
2）功率器件：又稱電力電子器件，主要應用于電力設備電能變換和控制電路方面的大功率電子器件，有功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。碳化硅基碳化硅器件在1 000 V以上的中高壓工業領域有深遠影響，主要應用于電動汽車/充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網等。
3）新能源汽車：電動汽車系統涉及功率半導體應用的組件有電機驅動系統、車載充電系統（
On Board Charger，OBC
）、車載DC/DC及非車載充電樁。其中，電動車逆變器市場碳化硅功率器件應用最多，碳化硅模塊的使用使得整車的能耗更低、尺寸更小、行駛里程更長。目前，國內外車企均積極布局碳化硅器件應用，以優化電動汽車性能，特斯拉、比亞迪、豐田等車企均開始采用碳化硅器件。隨著碳化硅功率器件的生產成本降低，碳化硅材料在充電樁領域的應用也將逐步深入。
4）光伏發電：目前，光伏逆變器龍頭企業已采用碳化硅MOSFET功率器件替代硅器件。根據中商情報網數據，使用碳化硅功率器件可使轉換效率從96%提高至99%以上，能量損耗降低50%以上，設備循環壽命提升50倍，從而帶來成本低、效能高的好處。
5）智能電網：國家大力發展新基建，特高壓輸電工程對碳化硅功率器件具有重大需求。在智能電網中的主要應用場景包括高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器和電力電子變壓器等裝置。相比其他電力電子裝置，電力系統要求更高的電壓、更大的功率容量和更高的可靠性，碳化硅器件突破了硅基功率半導體器件在大電壓、高功率和高溫度方面的限制所導致的系統局限性，并具有高頻、高可靠性、高效率、低損耗等獨特優勢，在固態變壓器、柔性 交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統等應用方面推動了智能電網的發展和變革。
6）射頻通信：碳化硅基氮化鎵射頻器件因碳化硅的高導熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的特性，可以滿足5G通訊對高頻性能和大功率性能的需求，逐步成為5G功率放大器優選的技術路線。碳化硅領域，特別是碳化硅的高端（
高壓高功率場景
）器件領域，基本上仍掌握在西方國家手里，SiC產業呈現美、日、歐三足鼎立的競爭格局，前五大廠商份額約90%。但是，碳化硅和第三代半導體在整個行業范圍內仍然是在探索過程中，遠未達到能夠大規模替代第二代半導體的成熟產業地步，國產替代的潛力巨大。
臺積電宣布在第四代氧化物半導體材料IGZO（
氧化銦鎵鋅
）的制程技術上取得突破，可生產分辨率超過5 000 ppi的元宇宙顯示驅動芯片。IGZO是一種新型半導體材料，有著比非晶硅（
a-Si
）更高的電子遷移率，可使用更窄的通道傳遞信息，實現更高的分辨率，并具有高亮度、低功耗、窄邊框的優勢。IGZO用在新一代高性能薄膜晶體管（
TFT
）中作為溝道材料，從而提高顯示面板分辨率，并使得大屏幕OLED電視成為可能。
Akhan半導體公司采用CMOS金剛石半導體工藝制造出的首個器件是金剛石PIN二極管，厚度打破記錄地薄至500 nm，性能比硅高100萬倍，還比硅薄100倍，原因在于金剛石的帶隙比碳化硅和氮化鎵還要寬。在熱分析結果顯示，該PIN二極管中沒有熱點，因此沒有硅PIN二極管中的寄生損失。金剛石具有超低阻值，減少了散熱需求，還可淀積在硅、玻璃、藍寶石和金屬襯底上，有望重新激發微處理器運算速度的演進。
Ga2O3是金屬鎵的氧化物，同時也是一種半導體化合物[4]。研究人員曾試制了金屬半導體場效應晶體管，盡管屬于未形成保護膜鈍化膜的簡單結構，但是樣品已經顯示出耐壓高、泄漏電流小的特性。在使用碳化硅和氮化鎵制造相同結構的元件時，通常難以達到這些樣品的指標。
圍繞新一代的半導體材料的研究目前大多處于摸索過程中，但關鍵指標還是在功耗更低、功率更高、成本更低和制備更易這幾個方面展開，充分發揮功率類化合物半導體的優勢，為實現“雙碳”目標、產業升級而不斷努力！
作者：中國電子科技集團公司第十三研究所 許景通，王二超，常青松，徐達，袁彪，史光華
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