第三代半导体能不能引领电子晶片业的一次革新？
- Mercury The Great
- 3 2 月, 2023
- 12:32 下午
宽禁带半导体材料突破原有半导体材料在大功率、高频、高速、高温环境下的性能限制，在5G通讯、网际网路、新能源、电子资讯产业等前沿领域发挥重要作用。在摩尔定律遇到瓶颈，“中国制造2025”的大背景下，宽禁带半导体材料的发展前景不可限量。
01 什么是宽禁带半导体材料
随着4G、5G通讯的迅速发展、同时人类生产生活科技化与资讯化程度越来越高，电子资讯技术产业在近几十年呈现迅速发展态势。而在技术迅猛发展的背后，是半导体材料的三次重要阶段性发展。第一代半导体材料以硅（Si）和锗（Ge）为代表，已在积体电路、航空航天、新能源和硅光伏产业中得到广泛应用并取得了卓越成效，目前仍是半导体产业的主流。随后，以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表的第二代化合物半导体材料因其在高频、高效率和低噪声指数等方面远超于Si，被广泛应用于微波毫米波器件以及发光器件中，主要用于制备高频、高速、大功率和发光电子器件。然而，随着未来电子器件在更高频率、更高功率和更高整合度等方面的要求，第一、二代半导体材料由于其自身材料固有特性的限制已变得力不从心。
在这种情况下，第三代化合物半导体材料——碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等材料进入了大众的视线。与前两代半导体材料相比，宽禁带半导体材料因其在禁频宽度和击穿场强等方面的优势以及耐高温、耐腐蚀、抗辐射等特点，非常适合更小体积、更轻重量、更高效率、更大功率的电子电力器件制备，在无线基础设施、军事和宇航、卫星通讯和功率转换等高频、高温、高功率工作领域有着显著的优势，是5G移动通讯、新能源汽车、智慧电网等前沿创新领域的首选核心材料和器件，已成为当今世界各国争相研究的科研热点和重点。从目前来看，研究较为成熟的是SiC和GaN材料。
02 SiC和GaN宽禁带半导体材料
SiC为Ⅳ主族中Si元素和C元素组成的化合物，C原子和Si原子以共价键的形式连接。 SiC的基本结构单元是硅碳四面体，其相互连接形成各种紧密堆积的结构。以碳化硅为典型代表的宽禁带半导体材料，与常规半导体硅或砷化镓相比，具有宽频隙、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等突出优点，是大功率、高温、高频、抗辐照应用场合下极为理想的半导体材料。在实际生产应用中，SiC宽禁带半导体材料能减少电容数量从而降低器件体积，同时由于其对高结温具有超高的耐受性，这种耐受性有助于提升功率密度，减少散热问题。
SiC相图及制备SiC的物理气相传输（PVT）技术
GaN材料首先得到广泛应用是在发光器件方面，随后GaN基高性能MMIC单片微波积体电路）得到了广泛关注，最近几年，由于异质外延技术的发展，GaNHEMT（高电子迁移率电晶体）得到了迅速发展。同时，由于GaN基半导体器件具有优异的耐压、耐热、耐腐蚀特性，它也是5G晶片应用的关键材料。03 国内外企业先进进展
SiC晶片在特斯拉Model3上的初次亮相，让全球汽车厂商将目光放在了SiC这种全新的半导体材料，在庞大的市场需求推动下，一大批采用这种材质晶片的汽车已经正在路上。其中，由英飞凌制造的SiC晶片已经确定搭载在现代的新款电动汽车上，与配备普通硅晶片的汽车相比，其电动汽车的续航里程可提高5%。
SiC在新能源汽车领域的广泛应用将为其突破现有的关于电池、能耗与控制系统上的瓶颈，对于整个行业的发展具有积极意义，尤其是在整体成本的控制上，这点从现有的首批采用SiC的汽车特斯拉Model3上已经有所体现。 SiC器件在特斯拉Model3上的首次应用也对SiC在汽车行业的发展起到了推动作用，国内外汽车厂商新能源板块的SiC器件的渗透率已开始逐渐攀升，目前已经应用于特斯拉、比亚迪、蔚来、小鹏等品牌的中高端车型，如比亚迪纯电动车车型“汉”、Lucid推出的LucidAir皆采用SiC提高汽车性能，并且，这些汽车公司已经计画在未来车型中使用更多的SiC分立器件或模组。同时现代、奥迪、大众、奔驰、通用汽车等传统车企也开始研发SiC解决方案。 Wolfspeed预计2026年的碳化矽器件市场结构中，新能源汽车将占据52%，其余射频、工控与能源将分别占据33%、16%，与2022年以射频器件为主的市场结构相比将产生较大变化。
国外进展：
Wolfspeed是目前全球最大的SiC衬底制造商，公司成立于1987年，具有30余年的碳化硅生产经验，近年来，公司发展战略不断发生变化，最终将碳化硅业务作为公司未来的主营业务，并于2021年10月将公司名称由Cree更改为Wolfspeed，从此专注于第三代化合物半导体领域的布局。下图为Wolfspeed历年营业收入。除了Wolfspeed，剩下两家龙头企业分别是ROHM（罗姆）和onsemi（安森美）。
