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硅的瓶頸與寬禁帶半導(dǎo)體的興起

1、 Si 材料的歷史與瓶頸

上世紀(jì)五十年代以來，以硅（Si）材料為代表的第一代半導(dǎo)體材料取代了笨重的電子管引發(fā)了集成電路（IC）為核心的微電子領(lǐng)域迅速發(fā)展。然而，由于硅材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場較低，Si 在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用受到諸多限制，在高頻下工作性能較差，不適用于高壓應(yīng)用場景，光學(xué)性能也得不到突破。

▲硅材料面臨諸多性能限制

隨著 Si 材料的瓶頸日益突出，以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭角，使半導(dǎo)體材料的應(yīng)用進(jìn)入光電子領(lǐng)域，尤其是在紅外激光器和高亮度的紅光二極管等方面。第三代半導(dǎo)體材料的興起，則是以氮化鎵（GaN）材料 p 型摻雜的突破為起點(diǎn)，以高亮度藍(lán)光發(fā)光二極管（LED）和藍(lán)光激光器（LD）的研制成功為標(biāo)志，包括 GaN、碳化硅（SiC）和氧化鋅（ZnO）等寬禁帶材料。

▲半導(dǎo)體材料特性對(duì)比

▲半導(dǎo)體材料與器件發(fā)展史

第三代半導(dǎo)體（本文以 SiC 和 GaN 為主）又稱寬禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度在 2.2eV 以上，具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點(diǎn)，逐步受到重視。SiC 與 GaN 相比較，前者相對(duì) GaN 發(fā)展更早一些，技術(shù)成熟度也更高一些；兩者有一個(gè)很大的區(qū)別是熱導(dǎo)率x，這使得在高功率應(yīng)用中，SiC 占據(jù)統(tǒng)治地位；同時(shí)由于 GaN具有更高的電子遷移率，因而能夠比 SiC 或 Si 具有更高的開關(guān)速度，在高頻率應(yīng)用領(lǐng)域，GaN 具備優(yōu)勢。

▲SiC、 GaN 與 Si 性能差異

▲SiC、 GaN 與 Si 各有優(yōu)勢領(lǐng)域

2、 SiC/GaN：穩(wěn)定爬升的光明期

雖然學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界很早認(rèn)識(shí)到 SiC和 GaN相對(duì)于傳統(tǒng)Si 材料的優(yōu)點(diǎn)，但是由于制造設(shè)備、制造工藝與成本的劣勢，多年來只是在小范圍內(nèi)得到應(yīng)用，無法挑戰(zhàn) Si 基器件的統(tǒng)治地位，但是隨著 5G、汽車等新市場出現(xiàn)，SiC/GaN 不可替代的優(yōu)勢使得相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用加速；隨著制備技術(shù)的進(jìn)步，SiC 與 GaN 器件與模塊在成本上已經(jīng)可以納入備選方案內(nèi)，需求拉動(dòng)疊加成本降低， SiC/GaN 的時(shí)代即將迎來。

 ▲SiC 與 GaN 處于穩(wěn)步爬升的光明期

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SiC：極限功率器件的理想材料

1、 SiC：極限功率器件的理想的材料

SiC 是由硅和碳組成的化合物半導(dǎo)體材料，在熱、化學(xué)、機(jī)械方面都非常穩(wěn)定。C 原子和 Si 原子不同的結(jié)合方式使 SiC 擁有多種晶格結(jié)構(gòu)，如4H、6H、3C 等等。4H-SiC 因?yàn)槠漭^高的載流子遷移率，能夠提供較高的電流密度，常被用來做功率器件。

▲三種不同的 SiC 結(jié)構(gòu)

▲SiC 晶圓

SiC 從上個(gè)世紀(jì) 70 年代開始研發(fā)，2001 年 SiC SBD 商用，2010 年 SiCMOSFET 商用，SiC IGBT 還在研發(fā)當(dāng)中。隨著 6 英寸 SiC 單晶襯底和外延晶片的缺陷降低和質(zhì)量提高，使得 SiC 器件制備能夠在目前現(xiàn)有 6英寸Si基功率器件生長線上進(jìn)行，這將進(jìn)一步降低SiC材料和器件成本，推進(jìn) SiC 器件和模塊的普及。

▲SiC 功率器件的發(fā)展歷史

SiC 器件相對(duì)于 Si 器件的優(yōu)勢主要來自三個(gè)方面：降低電能轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗、更容易實(shí)現(xiàn)小型化、更耐高溫高壓。

降低能量損耗。SiC 材料開關(guān)損耗極低，全 SiC 功率模塊的開關(guān)損耗大大低于同等IGBT模塊的開關(guān)損耗，而且開關(guān)頻率越高，與IGBT模塊之間的損耗差越大，這就意味著對(duì)于 IGBT 模塊不擅長的高速開關(guān)工作，全 SiC 功率模塊不僅可以大幅降低損耗還可以實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)。

低阻值使得更易實(shí)現(xiàn)小型化。SiC 材料具備更低的通態(tài)電阻，阻值相同的情況下可以縮小芯片的面積，SiC 功率模塊的尺寸可達(dá)到僅為 Si 的 1/10 左右。

更耐高溫。SiC 的禁帶寬度 3.23ev，相應(yīng)的本征溫度可高達(dá) 800 攝氏度，承受的溫度相對(duì) Si 更高；SiC 材料擁有 3.7W/cm/K 的熱導(dǎo)率，而硅材料的熱導(dǎo)率僅有 1.5W/cm/K，更高的熱導(dǎo)率可以帶來功率密度的顯著提升，同時(shí)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更簡單，或者直接采用自然冷卻。

▲SiC 能大大降低功率轉(zhuǎn)換中的開關(guān)損耗

▲SiC 更容易實(shí)現(xiàn)模塊的小型化、更耐高溫

2、 SiC 產(chǎn)業(yè)鏈：歐美占據(jù)關(guān)鍵位置

SiC 生產(chǎn)過程分為 SiC 單晶生長、外延層生長及器件制造三大步驟，對(duì)應(yīng)的是產(chǎn)業(yè)鏈襯底、外延、器件與模組三大環(huán)節(jié)。

SiC 襯底：SiC 晶體通常用 Lely 法制造，國際主流產(chǎn)品正從 4 英寸向 6 英寸過渡，且已經(jīng)開發(fā)出 8 英寸導(dǎo)電型襯底產(chǎn)品，國內(nèi)襯底以4 英寸為主。由于現(xiàn)有的 6 英寸的硅晶圓產(chǎn)線可以升級(jí)改造用于生產(chǎn) SiC 器件，所以 6 英寸 SiC 襯底的高市占率將維持較長時(shí)間。

SiC 外延：通常用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法制造，根據(jù)不同的摻雜類型，分為 n 型、p 型外延片。國內(nèi)瀚天天成、東莞天域已能提供 4 寸/6 寸 SiC 外延片。

SiC 器件：國際上 600~1700V SiC SBD、MOSFET 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，主流產(chǎn)品耐壓水平在 1200V 以下，封裝形式以 TO 封裝為主。價(jià)格方面，國際上的 SiC 產(chǎn)品價(jià)格是對(duì)應(yīng) Si 產(chǎn)品的 5~6 倍，正以每年 10%的速度下降，隨著上游材料器件紛紛擴(kuò)產(chǎn)上線，未來 2~3年后市場供應(yīng)加大，價(jià)格將進(jìn)一步下降，預(yù)計(jì)價(jià)格達(dá)到對(duì)應(yīng) Si 產(chǎn)品2~3 倍時(shí)，由系統(tǒng)成本減少和性能提升帶來的優(yōu)勢將推動(dòng) SiC 逐步占領(lǐng) Si 器件的市場空間。

▲SiC 器件生產(chǎn)流程

▲SiC 產(chǎn)業(yè)鏈及主要工序

全球 SiC 產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢。其中美國全球獨(dú)大，全球 SiC 產(chǎn)量的 70%~80%來自美國公司，典型公司是 Cree、Ⅱ-Ⅵ；歐洲擁有完整的 SiC 襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，典型公司是英飛凌、意法半導(dǎo)體等；日本是設(shè)備和模塊開發(fā)方面的領(lǐng)先者，典型公司是羅姆半導(dǎo)體、三菱電機(jī)、富士電機(jī)等。

▲SiC 產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)公司

3、SiC 市場：汽車是最大驅(qū)動(dòng)力

SiC 器件正在廣泛地被應(yīng)用在電力電子領(lǐng)域中，典型市場包括軌交、功率因數(shù)校正電源（PFC）、風(fēng)電（wind）、光伏（PV）、新能源汽車（EV/HEV）、充電樁、不間斷電源（UPS）等。根據(jù) Yole 的預(yù)測， 2017~2023 年，SiC 功率器件市場將以每年 31%的復(fù)合增長率增長， 2023 年將超過 15億美元；而 SiC 行業(yè)龍頭 Cree 則更為樂觀，其預(yù)計(jì)短期到 2022 年，SiC 在電動(dòng)車用市場空間將快速成長到 24 億美元，是 2017 年車用 SiC整體收入（700 萬美元）的 342 倍。

▲SiC 器件應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

▲2022 年 SiC 在電動(dòng)車市場規(guī)模達(dá)到 24 億美金

SiC 是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一，技術(shù)也已經(jīng)趨于成熟，令其成為實(shí)現(xiàn)新能源汽車最佳性能的理想選擇。與傳統(tǒng)解決方案相比，基于 SiC 的解決方案使系統(tǒng)效率更高、重量更輕及結(jié)構(gòu)更加緊湊。目前 SiC 器件在 EV/HEV 上應(yīng)用主要是功率控制單元、逆變器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器、車載充電器等方面。

▲SiC 器件在四個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域提升電動(dòng)汽車的系統(tǒng)效率

新能源車的功率控制單元（PCU）。PCU 是汽車電驅(qū)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，管理電池中的電能與電機(jī)之間的流向、傳遞速度。傳統(tǒng) PCU 使用硅基材料半導(dǎo)體制成，強(qiáng)電流與高壓電穿過硅制晶體管和二極管的時(shí)的電能損耗是混合動(dòng)力車最主要的電能損耗來源。而使用 SiC 則大大降低了這一過程中能量損失，將傳統(tǒng) PCU 配備的 Si 二極管置換成 SiC 二極管，Si IGBT 置換成 SiC MOSFET，就可以降低 10%的總能量損耗，同時(shí)也可以大幅降低器件尺寸，使得車輛更為緊湊。豐田中央研發(fā)實(shí)驗(yàn)室（CRDL）和電裝公司從 1980 年代就開始合作開發(fā) SiC 半導(dǎo)體材料，2014 年雙方正式發(fā)布了基于 SiC 半導(dǎo)體器件的新能源汽車 PCU，是這一領(lǐng)域的典型代表。

▲采用 SiC 的 PCU 尺寸大大減小

▲羅姆的 SiC 賽車用逆變器明顯降低重量及尺寸

車用逆變器。SiC 用在車用逆變器上，能夠大幅度降低逆變器尺寸及重量，做到輕量化與節(jié)能。在相同功率等級(jí)下，全 SiC 模塊的封裝尺寸顯著小于 Si模塊，同時(shí)也可以使開關(guān)損耗降低75％（芯片溫度為 150° C）；

在相同封裝下，全 SiC 模塊具備更高電流輸出能力，支持逆變器達(dá)到更高功率。特斯拉 Model 3 采用了意法半導(dǎo)體（后來增加了英飛凌）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。2017年 12 月 2 日，ROHM 為 VENTURI 車隊(duì)在電動(dòng)汽車全球頂級(jí)賽事“FIAFormula E” 錦標(biāo)賽第四賽季中提供了采用全 SiC 功率模塊制造的逆變器，使得相對(duì)于第二賽季的逆變器尺寸下降 43%，重量輕了 6kg。

車載充電器。SiC 功率器件正在加速其在車載充電器領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢，在今年的功率器件展 PCIM Europe 2018（2018 年 6 月 5~7 日在德國紐倫堡舉行）上，多家廠商推出了面向 HEV/EV 等電動(dòng)汽車充電器的 SiC功率器件產(chǎn)品。據(jù) Yole 統(tǒng)計(jì)，截至 2018 年有超過 20 家汽車廠商在自家車載充電器中采用 SiC SBD 或 SiC MOSFET 器件，且這一市場在2023 年之前保持 44%的增長。

▲超過 20 家汽車制造商在車載充電器中采用 SiC

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GaN：5G 應(yīng)用的關(guān)鍵材料

1、 GaN：5G 應(yīng)用的關(guān)鍵材料

GaN 材料與 Si/SiC 相比有獨(dú)特優(yōu)勢。GaN 與 SiC 同屬于第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，相較于已經(jīng)發(fā)展十多年的 SiC，GaN 功率器件是后進(jìn)者，它擁有類似 SiC 性能優(yōu)勢的寬禁帶材料，但擁有更大的成本控制潛力。與傳統(tǒng) Si 材料相比，基于 GaN 材料制備的功率器件擁有更高的功率密度輸出，以及更高的能量轉(zhuǎn)換效率，并可以使系統(tǒng)小型化、輕量化，有效降低電力電子裝置的體積和重量，從而極大降低系統(tǒng)制作及生產(chǎn)成本。

GaN 是極穩(wěn)定的化合物，又是堅(jiān)硬的高熔點(diǎn)材料，熔點(diǎn)約為 1700℃，GaN 具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5 或 0.43）。在大氣壓力下，GaN 晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。

▲GaN 原胞結(jié)構(gòu)

▲典型 GaN HEMT 結(jié)構(gòu)

GaN 器件逐步步入成熟階段。基于 GaN 的 LED 自上世紀(jì) 90 年代開始大放異彩，目前已是 LED 的主流，自 20 世紀(jì)初以來，GaN 功率器件已經(jīng)逐步商業(yè)化。2010 年，第一個(gè) GaN 功率器件由 IR 投入市場，2014年以后，600V GaN HEMT 已經(jīng)成為 GaN 器件主流。2014 年，行業(yè)首次在 8 英寸 SiC 上生長 GaN 器件。

▲GaN 器件逐步步入成熟階段

隨著成本降低，GaN 市場空間持續(xù)放大。GaN 與 SiC、Si 材料各有其優(yōu)勢領(lǐng)域，但是也有重疊的地方。GaN 材料電子飽和漂移速率最高，適合高頻率應(yīng)用場景，但是在高壓高功率場景不如 SiC；隨著成本的下降，GaN 有望在中低功率領(lǐng)域替代二極管、IGBT、MOSFET 等硅基功率器件。以電壓來分，0~300V 是 Si 材料占據(jù)優(yōu)勢，600V 以上是 SiC 占據(jù)優(yōu)勢，300V~600V 之間則是 GaN 材料的優(yōu)勢領(lǐng)域。根據(jù) Yole 估計(jì)，在0~900V 的低壓市場，GaN 都有較大的應(yīng)用潛力，這一塊占據(jù)整個(gè)功率市場約 68%的比重，按照整體市場 154 億美元來看，GaN 潛在市場超過 100 億美元。

▲GaN 器件可以適用于超過 68%的功率器件市場

▲不同功率器件所處的優(yōu)勢領(lǐng)域

GaN RF 市場即將大放異彩。根據(jù) Yole 估計(jì)，大多數(shù)低于 6GHz 的宏網(wǎng)絡(luò)單元實(shí)施將使用 GaN 器件，到 2023 年，GaN RF 器件市場規(guī)模達(dá)到 13 億美元。

▲GaN RF 市場規(guī)模于 2023 年達(dá)到 13 億美金

2、GaN 在電力電子領(lǐng)域與微波射頻領(lǐng)域均有優(yōu)勢

GaN 在電力電子領(lǐng)域主要優(yōu)勢在于高效率、低損耗與高頻率。GaN 材料的這一特性使得其在消費(fèi)電子充電器、新能源充電樁、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。

高轉(zhuǎn)換效率：GaN 的禁帶寬度是 Si 的 3 倍，擊穿電場是 Si 的 10倍。因此，同樣額定電壓的 GaN 開關(guān)功率器件的導(dǎo)通電阻比 Si 器件低 3 個(gè)數(shù)量級(jí)，大大降低了開關(guān)的導(dǎo)通損耗。

低導(dǎo)通損耗：GaN 的禁帶寬度是 Si 的 3 倍，擊穿電場是 Si 的 10倍。因此，同樣額定電壓的 GaN 開關(guān)功率器件的導(dǎo)通電阻比 Si 器件低 3 個(gè)數(shù)量級(jí)，大大降低了開關(guān)的導(dǎo)通損耗。

高工作頻率：GaN 開關(guān)器件寄生電容小，工作效率可以比 Si 器件提升至少 20 倍，大大減小了電路中儲(chǔ)能原件如電容、電感的體積，從而成倍地減少設(shè)備體積，減少銅等貴重原材料的消耗。

▲Si 功率器件開關(guān)速度慢，能量損耗大

▲ GaN 開關(guān)速度快，可大幅度提升效率

GaN 在微波射頻領(lǐng)域主要優(yōu)勢在于高效率、大帶寬與高功率。為射頻元件材料，GaN 在電信基礎(chǔ)設(shè)施和國防軍工方面應(yīng)用已經(jīng)逐步鋪展開來。

更高效率：降低功耗，節(jié)省電能，降低散熱成本，降低總運(yùn)行成本。

更大的帶寬：提高信息攜帶量，用更少的器件實(shí)現(xiàn)多頻率覆蓋，降低客戶產(chǎn)品成本。也適用于擴(kuò)頻通信、電子對(duì)抗等領(lǐng)域。

更高的功率：在 4GHz 以上頻段，可以輸出比 GaAs 高得多的頻率，特別適合雷達(dá)、衛(wèi)星通信、中繼通信等領(lǐng)域。

▲GaN 器件在電力電子領(lǐng)域與微波射頻領(lǐng)域的優(yōu)勢

3、GaN 市場：射頻是主戰(zhàn)場，5G 是重要機(jī)遇

GaN 是射頻器件的合適材料。目前射頻市場主要有三種工藝：GaAs 工藝，基于 Si 的 LDMOS（橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝，以及 GaN工藝。GaAs 器件的缺點(diǎn)是器件功率較低，低于 50W。LDMOS 器件的缺點(diǎn)是工作頻率存在極限，最高有效頻率在 3GHz 以下。GaN 彌補(bǔ)了GaAs 和 Si 基 LDMOS 兩種老式技術(shù)之間的缺陷，在體現(xiàn) GaAs 高頻性能的同時(shí)，結(jié)合了 Si 基 LDMOS 的功率處理能力。

在射頻 PA 市場， LDMOS PA 帶寬會(huì)隨著頻率的增加而大幅減少，僅在不超過約 3.5GHz 的頻率范圍內(nèi)有效，采用 0.25 微米工藝的 GaN 器件頻率可以高達(dá)其 4 倍，帶寬可增加 20%，功率密度可達(dá) 6~8 W/mm（LDMOS 為 1~2W/mm），且無故障工作時(shí)間可達(dá) 100 萬小時(shí)，更耐用，綜合性能優(yōu)勢明顯。

▲使用 GaN 前后的效率對(duì)比

在更高的頻段（以及低功率范圍），GaAs PA 是目前市場主流，出貨占比占 9 成以上。GaAs RF 器件相比，GaN 優(yōu)勢主要在于帶隙寬度與熱導(dǎo)率。帶隙寬度方面，GaN 的帶隙電壓高于 GaAs（3.4 eV VS1.42 eV） GaN 器件具有更高的擊穿電壓，能滿足更高的功率需求。熱導(dǎo)率方面，GaN-on-SiC 的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于 GaAs，這意味著器件中的功耗可以更容易地轉(zhuǎn)移到周圍環(huán)境中，散熱性更好。

▲多級(jí) GaAs 功率放大器和等效 GaN 功率放大器的比較

▲GaN 優(yōu)勢在于帶隙寬度與熱導(dǎo)率

GaN 是 5G 應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。5G 將帶來半導(dǎo)體材料革命性的變化，隨著通訊頻段向高頻遷移，基站和通信設(shè)備需要支持高頻性能的射頻器件，GaN 的優(yōu)勢將逐步凸顯，這正是前一節(jié)討論的地方。正是這一優(yōu)勢，使得 GaN 成為 5G 的關(guān)鍵技術(shù)。

在 Massive MIMO 應(yīng)用中，基站收發(fā)信機(jī)上使用大數(shù)量（如 32/64 等）的陣列天線來實(shí)現(xiàn)了更大的無線數(shù)據(jù)流量和連接可靠性，這種架構(gòu)需要相應(yīng)的射頻收發(fā)單元陣列配套，因此射頻器件的數(shù)量將大為增加，使得器件的尺寸大小很關(guān)鍵，利用 GaN 的尺寸小、效率高和功率密度大的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)高集化的解決方案，如模塊化射頻前端器件。除了基站射頻收發(fā)單元陳列中所需的射頻器件數(shù)量大為增加，基站密度和基站數(shù)量也會(huì)大為增加，因此相比 3G、4G 時(shí)代，5G 時(shí)代的射頻器件將會(huì)以幾十倍、甚至上百倍的數(shù)量增加。在 5G 毫米波應(yīng)用上，GaN 的高功率密度特性在實(shí)現(xiàn)相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下，可有效減少收發(fā)通道數(shù)及整體方案的尺寸。

▲GaN 在 5G 時(shí)代應(yīng)用廣泛

▲GaN 材料 5G 基站發(fā)展趨勢

GaN 在電力電子器件領(lǐng)域多用于電源設(shè)備。由于結(jié)構(gòu)中包含可以實(shí)現(xiàn)高速性能的異質(zhì)結(jié)二維電子氣，GaN 器件相比于 SiC 器件擁有更高的工作頻率，加之可承受電壓要低于 SiC 器件，所以 GaN 電力電子器件更適合高頻率、小體積、成本敏感、功率要求低的電源領(lǐng)域，如輕量化的消費(fèi)電子電源適配器、無人機(jī)用超輕電源、無線充電設(shè)備等。

GaN 電力電子器件增速最快的是快充市場。2018 年，世界第一家 GaNIC 廠商 Navitas 和 Exagan 推出了帶有集成 GaN 解決方案（GaNFast?）的 45W 快速充電電源適配器，此 45W 充電器與 Apple USB-C 充電器相比，兩者功率相差不大，但是體積上完全是不同的級(jí)別，內(nèi)置 GaN 充電器比蘋果充電器體積減少 40%。目前來看，采用 GaN 材料的快速充電器已成星火燎原之勢，有望成為行業(yè)主流。
(文章來源于：今日半導(dǎo)體)