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：半導體禁帶寬度隨溫度能夠發生變化，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點）。半導體的禁帶寬度具有負的溫度係數，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 —— 負的溫度係數。

禁帶寬度是半導體的一個重要特徵參量，其大小主要決定於半導體的能帶結構，即與晶體結構和原子的結合性質等有關。根據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)、矽(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，如碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、H碳化矽(HSiC)、H碳化矽(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、介電常數小、抗輻射能力強以及良好的化學穩定性等特點，非常適合於製作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件。

SiC和GaN

GaN電晶體在20世紀90年代首次出現，2010年宜普電源轉換公司(EPC)推出第一個器件後，宣布了GaN開始了的正式商業化應用之路。SiC二極體自2001年推出，到現在已經進入了所有高性能電源、可再生能源和電機驅動應用領域。

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點，可以滿足現代電子技術對高溫、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，這意味著開關損耗非常小。這使得高開關頻率(SiC為50 kHz至500 kHz，GaN為1 MHz以上)成為可能，結果有助於減小磁體體積，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量，使最終轉換器的尺寸和重量僅相當於傳統轉換器的五分之一。

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

· 寬禁帶半導體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。

與GaN相比，SiC熱導率是GaN的三倍以上，在高溫應用領域更有優勢；同時SiC單晶的製備技術相對更成熟，所以SiC功率器件的種類遠多於GaN。但是GaN並不完全處於劣勢，甚至被稱為SiC器件獲得成長的最大抑制因素。隨著GaN製造工藝在不斷進步，在GaN-on-Si外延片上製造的GaN器件具有相當低的成本，比在SiC晶片上製造任何產品都更為容易。由於這些原因，GaN電晶體可能會成為2020年代後期逆變器中的首選，優於較昂貴的SiC MOSFET。數據顯示，2023年全球GaN器件市場規模將達到224.7億美元。

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

· SiC最大的應用市場來自汽車。與傳統解決方案相比，基於SiC的解決方案使系統效率更高、重量更輕及結構更加緊湊。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轉換器、車載充電器等方面。全球SiC產業格局呈現美國、歐洲、日本三足鼎立態勢。其中美國全球獨大，佔全球SiC產量的70%~80%；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應用產業鏈；日本是設備和模塊開發方面的領先者。中國企業在襯底、外延和器件方面均有所布局，但是體量均較小。

· GaN是5G應用的關鍵材料。相較於已經發展十多年的SiC，GaN功率器件是後進者，它擁有類似SiC性能優勢的寬禁帶材料，但擁有更大的成本控制潛力，在射頻微波領域和電力電子領域都有廣泛的應用。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、數據中心等領域有著較大的應用潛力。目前GaN產業仍舊以海外企業為主，國內企業在襯底外延和設計製造領域都逐漸開始涉足。

基於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局。在國內電源管理IC廠商中，也有包括矽力傑、晶豐、士蘭微、芯朋微、東科、比亞迪等戰將，但顯然這一市場仍以日美歐廠商為主角。

我國早已經在大力扶持第三代半導體產業。2016年國務院就出臺了《「十三五」國家科技創新規劃》，明確提出以第三代半導體材料等為核心，搶佔先進電子材料技術的制高點。

SiC和GaN的應⽤領域 

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，其製備的器件具有優異的性能，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；能夠拓寬發光光譜，實現全彩顯示。隨著寬禁帶技術的進步，材料工藝與器件工藝的逐步成熟，其重要性將逐漸顯現，在高端領域將逐步取代第一代、第二代半導體材料，成為電子信息產業的主宰。

· 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定性等優越特性，是迄今理論上電光、光電轉換效率最高的材料體系。時至今日，GaN襯底相對於藍寶石、SiC等襯底的性能優勢顯而易見，最大難題在於價格過高。

· 功率器件：2015年，SiC功率半導體市場（包括二極體和電晶體）規模約為2億美元，到2021年，其市場規模預計將超過5.5億美元，這期間的複合年均增長率預計將達19％。毫無懸念，消耗大量二極體的功率因素校正（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於軍用雷達、智能武器和通信系統等方面。在未來，GaN微波器件有望用於4G-5G移動通訊基站等民用領域。GaN在國防領域的應用主要包括IED幹擾器、軍事通訊、雷達、電子對抗等。GaN將在越來越多的國防產品中得到應用，充分體現其在提高功率、縮小體積和簡化設計方面的巨大優勢。

· 雷射器和探測器：在雷射器和探測器應用領域，GaN雷射器已經成功用於藍光DVD，藍光和綠色的雷射將來巨大的市場空間在微型投影、雷射3D投影等投影顯示領域，藍色雷射器和綠光雷射器產值約為2億美元，如果技術瓶頸得到突破，潛在產值將達到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應該是基於GaN雷射器的「雷射照明」，有望將照明和顯示融合發展。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基雷射器。由於GaN優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基紫外探測器可用於飛彈預警、衛星秘密通信、各種環境監測、化學生物探測等領域，例如核輻射探測器、X射線成像儀等，但尚未實現產業化。

寬禁帶半導體面臨的挑戰

雖然GaN和SiC等寬禁帶半導體正在快速增長中，但其實它們的發展還是面臨著許多挑戰的。真正的挑戰是為市場提供強固和高性能的器件，實現與矽電源半導體相當或優於矽電源半導體的穩定和可靠的運行。

首先是所有新技術在推廣初期都會遇到的成本問題，據Yole統計，目前SiC MOSFET器件的每安培成本比同類IGBT高出五倍以上。這主要是由於下遊應用目前大多處在研發階段，還沒有形成批量產業化，尤其是在國內。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式增長的前期。

寬禁帶半導體目前遇到的最大挑戰在於為了充分利用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。提高開關速度需要儘可能降低寄生電感，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新發展的時機已經逐步成熟，處於重要窗口期。但是，目前行業面臨的困難仍然很多，一個產業的發展與兩個方面有關：一個是技術層面，另一個重要問題就是產業的生態環境。

寬禁帶功率半導體面臨的技術難題很多。如襯底材料的完整性、外延層及歐姆接觸的質量、工藝穩定性、器件可靠性以及成本控制等，寬禁帶功率半導體產業化的難度比外界想像的要大很多。

產業發展的生態環境的建設並不完善。5G移動通信、電動汽車等是寬禁帶半導體產業最具有爆發性增長潛力的應用領域，國內在產業生態的成熟度上與國外的差距還比較明顯，落後程度更甚於技術層面的落後程度。產業鏈上下遊協同不足，尚未解決材料「能用-可用-好用」發展過程中的問題和障礙。

寬禁帶功率半導體需要產業鏈、創新鏈的協同發展。寬禁帶功率半導體涉及多學科、跨領域的技術和應用，需要聯合多個領域優勢資源，開展多學科、跨領域的集成創新，但研發和產業化需要昂貴的生長和工藝設備、高等級的潔淨環境和先進的測試分析平臺。目前國內從事寬禁帶半導體研發的研究機構、企業單體規模小，資金投入有限，研發創新速度慢，成果轉化困難。

第三代寬禁帶半導體材料，可以被廣泛應用在各個領域，且具備眾多的優良性能，可突破第一、二代半導體材料的發展瓶頸，故被市場看好的同時，隨著技術的發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等技術上擁有絕對的話語權。相比美、日，我國在第三半導體材料上的起步較晚，水平較低，但由於第三代半導體還有很大的發展空間，各國都處於發力階段，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的最好判語了。