双碳”目标下三代半导体的发展分析

DT半导体材料 2022-03-01 18:00

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0 引言

在“双碳”目标的实现过程中，我国的各个行业都赋予了新的活力，并新兴了全新的商业模式。在“双碳”的背景下，产业结构将面临深刻的低碳转型挑战，能源技术将会引领能源产业变革，实现创新驱动发展[1]。大数据、区块链、人工智能等新技术的快速使用，带动了数字经济的高速发展，使得半导体行业更要朝着高性能、低功耗的目标发展，从而带动消费电子、医疗电子、电力电子、国防装备电子的更新换代和产业升级。

第三代半导体材料是以碳化硅、氮化镓为代表，与前两代半导体材料相比最大的优势是有着较宽的禁带宽度，保证了其更高的可击穿电场强度，适合制备耐高压、高频的功率器件，是电动汽车、5G基站、卫星、电力电子和航空航天等新兴领域的理想材料，表1为几种半导体材料的性能参数。

碳化硅材料具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高热导率等特点，碳化硅器件可适用于高频高温的工作场景，相较于硅器件可以显著降低性能损耗。因此，以碳化硅材料制造的高耐压、大功率电力电子器件，如MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管）、IGBT（Insulated Gate BipolarTranslator，绝缘栅门极晶体管）、SBD（SchottkyBarrier Diodes，肖特基二极管）等，用于智能电网、新能源汽车等新兴产业。与硅器件相比，氮化镓材料具备高临界磁场、高电子饱和速度与极高的电子迁移率等性能，适用于5G通信、微波射频等领域的应用。

第三代半导体属于后摩尔定律概念，制程和设备要求相对不高，难点在于第三代半导体材料的制备，同时在设计上没有优势。多年来第三代半导体材料只是在小范围得以应用，其制造设备昂贵、制造工艺难度高以及成本高，无法挑战Si基半导体的统治地位。但随着“双碳”战略定位，和产业升级的需要，低功耗、高效率、高性能的电子器件必定大有可为，而低功耗、高效率、高性能正是三代半导体最大的特点（如图1所示），相信在未来一段时间将是三代半导体的快速发展期。

国家“双碳”目标的落地依赖电力系统的改革。第三代半导体功率芯片和器件的固有特性，决定了其在实现光伏、风力等新能源发电、直流特高压输电、新能源汽车等电动化交通、工业电源、民用家电等领域的电能高效转换优势。

目前电网在新能源发电以及输变电环节的电力电子设备中所使用的基本都还是硅基器件，而硅基器件的参数性能已接近其材料的物理极限，因而无法担负起支撑大规模清洁能源生产传输和消纳吸收的重任。碳化硅材料制成的功率半导体器件，以其高压高频高温高速的优良特性，能够大幅提升支撑清洁能源为主体的新型电力系统建设运行所需各类电力电子设备的能量密度，降低成本造价，增强可靠性和适用性，提高电能转换效率，降低损耗。

针对第三代功率半导体器件（碳化硅和氮化镓两大材料体系）需求，加速实现第三代半导体全产业链的自主可控发展，包括：尽快实现高性能6英寸和8英寸碳化硅单晶衬底和外延材料及其功率器件的量产、6英寸和8英寸硅基氮化镓外延材料及其功率器件的量产、高性能封装的器件和模块量产，以及单晶衬底生长、加工、芯片工艺、封装、测试等核心检测仪器和装备的国产化。加强产业链建设，从衬底、外延、芯片到封装、控制器设计制造以及应用等各环节实现全寿命周期的低碳甚至零碳战略。原材料、芯片和器件自主可控是第三代宽禁带功率半导体产业健康发展的基石，也是全产业链落实双碳战略目标的保障。

1 GaN进展分析

氮化镓是一种直接带隙半导体，大部分应用于微波射频、电力和光电子三大领域。受通信基础设施建设和国防事业应用推动，加上卫星通信、有线宽带和射频功率的发展增长，根据测算氮化镓射频市场将从2018年的6.45亿美元增长到2025年的约50亿美元。现行电动汽车的特点是耗电型电驱动，传统的12 V配电总线负担增加，对于48 V总线系统，氮化镓技术可提高效率、减小尺寸并降低生产成本。综合来看，氮化镓在汽车电子方面拥有广大的应用场景。氮化镓充电器具有体积小、功率高、导热性好和支持PD（Power Delivery，功率传输）协议等优势，将会在未来垄断笔记本电脑和手机等充电器市场[2]。随着中国厂商在65 W快速充电器中采用GaNHEMT（High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管），功率型氮化镓产品正在进入主流消费电子应用。

目前，氮化镓的制备主要是采用异质外延制备工艺，在异质材料上面外延生长氮化镓层，技术可靠，能实现产业化。氮化镓外延层主要通过金属有机化学汽相沉积(MOCVD)、卤化物气相外延(HVPE)、分子束外延技术(MBE)以及悬空外延术(Pendeo-epitaxy)等工艺方式制备，其中制备质量效率最高的是金属有机化学汽相沉积法技术，具有纯度高、外延层薄、平整性好、易量产等优点。

随着大数据运算、新能源汽车、5G通讯以及智能制造等领域崛起，无线充电、无人驾驶等领域应用的兴起，对功率器件的运算处理性能提出了更高的要求。半导体厂家对于材料的选择快速锁定性能优异的氮化镓，于是氮化镓器件的收并购、产业整合等发生了巨大变化，氮化镓功率半导体已逐步成为关注的焦点。

2 SiC进展分析

碳化硅作为第三代半导体器件的重要代表，已在工业、汽车以及国防军工等领域有着广泛应用[3]。碳化硅功率器件类型如图2所示，碳化硅MOSFET器件结构如图3所示。

如图4所示，碳化硅产业链可分为：碳化硅衬底材料的制备、外延层的生长、器件制造以及下游应用市场，通常采用物理气相传输法（PVT法）制备碳化硅单晶，再在衬底上使用化学气相沉积法（CVD法）生成外延片，最后制成器件。在SiC器件的产业链中，主要价值量集中于上游碳化硅衬底（占比50%左右）。

碳化硅材料具有禁带宽度大、热导率高、击穿电场高等优势，备受期待。碳化硅是由1:1的硅与碳组合而成的产物，材质坚硬，以新莫氏硬度检测，可达13（钻石为15），其特点为：1）耐压性高，适合高压器件设计；2）冷点高，易冷却，耐高温；3）电子饱和速度更快，频率高。如图5所示，Si的MOSFET器件电压隔离区在栅极和漏极之间，隔离区越宽，内阻越大，功率损耗越高。SiC的MOSFET器件将隔离区做的更薄，导通阻值小，从而减小了能量损耗。

在二级管中，以硅做成的肖特基构造电压可以达到250 V，而碳化硅的则可达到4 000 V；晶体管中，硅的MOSFET常规来说可以做到900~1 500 V，但特性不好，而SiC的器件的电压可达3 300 V。600 V以上耐压功率元器件，硅器件中以PN(FRD)、IGBT为代表，其耐压性、补充导通阻抗可以调节传导率、因载流子少数积蓄使得恢复变慢；硅器件中以MOSFET为例，SJRON稍微改善、耐压可达900 V、高速但阻抗大、恢复快；而SiC器件（如SBD、MOSFET）具有高耐压性、外延层导通阻抗小、SW损耗急剧降低的特点。因此认为，若需要低频高压，则使用硅器件中的IGBT最好；如果频率较高，电压要求低的产品，则使用硅器件中的 MOSFET最好；若是高频高压使用SiC器件中的MOSFET是最好；若电压不需很大，但频率很高则选用氮化镓器件中的HEMT。

碳化硅衬底根据电阻率可划分为：1）半绝缘型碳化硅衬底：指电阻率高于10⁵ Ω·cm的碳化硅衬底，主要用于制造氮化镓微波射频器件。微波射频器件是无线通讯领域的基础性零部件，大力发展的5G技术推动了碳化硅衬底需求释放。2 ）导电型碳化硅衬底：指电阻率在 1 5 ~30 mΩ·cm的碳化硅衬底。由导电型碳化硅衬底生长出的碳化硅外延片可进一步制成功率器件，成为电力电子变换装置核心器件，广泛应用于新能源汽车、光伏、智能电网、轨道交通等领域。汽车电动化的趋势利好于SiC的发展。

碳化硅应用场景根据产品类型划分：

1）射频器件：是在无线通信领域负责信号转换的部件，如功率放大器、射频开关、滤波器和低噪声放大器等。碳化硅基氮化镓射频器件具有热导率高、高频率、高功率等优点，相较于传统的硅基LDMOS（Laterally Diffused Metal OxideSemiconductor，横向扩散金属氧化物半导体）器件，可以更好地适应5G通信基站、雷达应用等领域低能耗、高效率要求。

2）功率器件：又称电力电子器件，主要应用于电力设备电能变换和控制电路方面的大功率电子器件，有功率二极管、功率三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等。碳化硅基碳化硅器件在1 000 V以上的中高压工业领域有深远影响，主要应用于电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通、智能电网等。

3）新能源汽车：电动汽车系统涉及功率半导体应用的组件有电机驱动系统、车载充电系统（OnBoard Charger，OBC）、车载DC/DC及非车载充电桩。其中，电动车逆变器市场碳化硅功率器件应用最多，碳化硅模块的使用使得整车的能耗更低、尺寸更小、行驶里程更长。目前，国内外车企均积极布局碳化硅器件应用，以优化电动汽车性能，特斯拉、比亚迪、丰田等车企均开始采用碳化硅器件。随着碳化硅功率器件的生产成本降低，碳化硅材料在充电桩领域的应用也将逐步深入。

4）光伏发电：目前，光伏逆变器龙头企业已采用碳化硅MOSFET功率器件替代硅器件。根据中商情报网数据，使用碳化硅功率器件可使转换效率从96%提高至99%以上，能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50倍，从而带来成本低、效能高的好处。

5）智能电网：国家大力发展新基建，特高压输电工程对碳化硅功率器件具有重大需求。在智能电网中的主要应用场景包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器和电力电子变压器等装置。相比其他电力电子装置，电力系统要求更高的电压、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导体器件在大电压、高功率和高温度方面的限制所导致的系统局限性，并具有高频、高可靠性、高效率、低损耗等独特优势，在固态变压器、柔性交流输电、柔性直流输电、高压直流输电及配电系统等应用方面推动了智能电网的发展和变革。

6）射频通信：碳化硅基氮化镓射频器件因碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的特性，可以满足5G通讯对高频性能和大功率性能的需求，逐步成为5G功率放大器优选的技术路线。碳化硅领域，特别是碳化硅的高端（高压高功率场景）器件领域，基本上仍掌握在西方国家手里，SiC产业呈现美、日、欧三足鼎立的竞争格局，前五大厂商份额约90%。但是，碳化硅和第三代半导体在整个行业范围内仍然是在探索过程中，远未达到能够大规模替代第二代半导体的成熟产业地步，国产替代的潜力巨大。

3 新型半导体材料进展

台积电宣布在第四代氧化物半导体材料IGZO（氧化铟镓锌）的制程技术上取得突破，可生产分辨率超过5 000 ppi的元宇宙显示驱动芯片。IGZO是一种新型半导体材料，有着比非晶硅（a-Si）更高的电子迁移率，可使用更窄的通道传递信息，实现更高的分辨率，并具有高亮度、低功耗、窄边框的优势。IGZO用在新一代高性能薄膜晶体管（TFT）中作为沟道材料，从而提高显示面板分辨率，并使得大屏幕OLED电视成为可能。

Akhan半导体公司采用CMOS金刚石半导体工艺制造出的首个器件是金刚石PIN二极管，厚度打破记录地薄至500 nm，性能比硅高100万倍，还比硅薄100倍，原因在于金刚石的带隙比碳化硅和氮化镓还要宽。在热分析结果显示，该PIN二极管中没有热点，因此没有硅PIN二极管中的寄生损失。金刚石具有超低阻值，减少了散热需求，还可淀积在硅、玻璃、蓝宝石和金属衬底上，有望重新激发微处理器运算速度的演进。

Ga₂O₃是金属镓的氧化物，同时也是一种半导体化合物[4]。研究人员曾试制了金属半导体场效应晶体管，尽管属于未形成保护膜钝化膜的简单结构，但是样品已经显示出耐压高、泄漏电流小的特性。在使用碳化硅和氮化镓制造相同结构的元件时，通常难以达到这些样品的指标。围绕新一代的半导体材料的研究目前大多处于摸索过程中，但关键指标还是在功耗更低、功率更高、成本更低和制备更易这几个方面展开，充分发挥功率类化合物半导体的优势，为实现“双碳”目标、产业升级而不断努力！

原文信息与来源

“双碳”目标下三代半导体的发展分析
许景通，王二超，常青松，徐达，袁彪，史光华
（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄 050051）

doi: 10.14176/j.issn.1001-3474.2022.01.002