第三代宽禁带功率半导体及应用发展现状

半导体工艺与设备 2021-09-28 07:18 7422浏览 0评论 11点赞

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摘要近年来，以碳化硅和氮化镓为代表的第三代宽禁带功率半导体迅猛发展，已成为中国功率电子行业的研发和产业化应用的重点。抓住第三代宽禁带功率半导体的战略机遇期，实现半导体材料、器件、封装模块和系统开发的自主可控，对保障工业创新体系的可持续发展至关重要。在分析第三代宽禁带功率半导体重要战略意义的基础上，综述了其材料、器件研发和产业的发展现状，阐述了碳化硅及氮化镓器件在当前环境下的应用成果，剖析了第三代半导体行业存在的关键问题。建议在国家政策的进一步领导之下，发挥行业协会和产业联盟的桥梁和纽带作用，对衬底材料、外延材料、芯片与器件设计和制造工艺等产业链各环节进行整体支撑，引导各环节间实现资源共享、强强联合，上下游互相拉动和促进，形成一个布局合理、结构完整的产业链。

随着节能减排、新能源发电、智能电网和无线通信等领域的快速发展，电源和控制器行业对功率半导体器件的性能指标和可靠性的要求日益提高，要求器件有更高的工作电压、更大的电流承载能力、更高的工作频率、更高的效率、更高的工作温度、更强的散热能力和更高的可靠性。经过半个多世纪的发展，基于硅材料的功率半导体器件的性能已经接近其物理极限。因此，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等为代表的第三代宽禁带功率半导体材料的发展开始受到重视。技术领先国家和国际大型企业纷纷投入到 SiC和 GaN的研发和产业化中，产业链覆盖材料、器件、模块和应用等各个环节。第三代宽禁带功率半导体对电动化交通、工业伺服和电力行业的装备和产品升级换代产生了重大且深远的影响。

1 第三代宽禁带功率半导体的战略意义

目前，中国已经把大力支持发展第三代宽禁带功率半导体产业写入国家“十四五”和中长期发展规划中，计划在教育、科研、开发、融资、应用等各方面，大力支持第三代宽禁带功率半导体产业的发展，以期实现产业与世界同步和自主可控[1]。

在现有的全部三代半导体材料中，第一代半导体材料以硅（Si）、锗（Ge）为代表，其中锗最先被研究且应用，但由于其造价较高（比白银稍贵），稳定性较差，主要应用于部分发光二极管、太阳能电池中。硅基材料是目前主流逻辑芯片和功率器件的基础，以硅基半导体材料开创了功率半导体元器件金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等为代表的固态电子时代[2]。

第二代半导体材料，主要是指化合物半导体材料，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表，其主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料，广泛应用于卫星通信、移动通信、光通信、GPS导航等领域。但是 GaAs、InP 材料资源稀缺，价格昂贵，并且还有毒性，污染环境，InP甚至被认为是可疑致癌物质，这些缺点使得第二代半导体材料的应用具有一定的局限性。目前主流第二代半导体
材料 GaAs 占据了化合物半导体市场上 79% 的份额。但得益于最大功率范围、频率、亮度、耗电量以及高频噪声等方面的优势，各大厂商都认为第三代化合物半导体（GaN及SiC）在应用端将有更优异的表现[3]。

第三代半导体指的是 SiC、GaN、ZnO、金刚石（C）、AlN 等具有宽禁带（Eg＞2.3 eV）特性的新兴半导体材料。以第三代宽禁带功率半导体的典型代表 SiC和 GaN为例，其材料特性与 Si材料的特性对比如图1所示[4]。

第三代宽禁带功率半导体器件的优势主要表现在：（1）比导通电阻是硅器件的近 1/1000（在相同的电压/电流等级下），可以大大降低器件的导通损耗；（2）开关频率是硅器件的 10余倍，可以大大减小电路中储能元件的体积，从而成倍地减小设备体积，减少贵重金属等材料的消耗；（3）理论上可以在 600℃以上的高温环境下工作，并有抗辐射的优势，可以大大提高系统的可靠性，在能源转换领域具有巨大的技术优势和应用价值[5]。

第三代宽禁带功率半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点。例如，与 Si基材料相比：（1）SiC具有 3倍的禁带宽度，可减少漏电并提高工作温度；（2）SiC具有近10倍的击穿场强，可提高内电压、开关速度并减低损耗；（3）SiC具有 4倍的导热率，支持高功率密度并可降低散热要求。其优点可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求，是当前半导体材料领域最有前景的材料，在国防、航空航天、能源、通信、电动化交通、工业等领域有着重要应用前景，在宽带通信、太阳能、新能源汽车、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低 50% 以上的能量损失，最高可以使装备体积减小 75% 以上，对人类科技的发展具有里程碑的意义。

目前，第三代宽禁带功率半导体器件已经在智能电网、电动汽车、轨道交通、新能源并网、开关电源、工业电机以及家用电器等领域得到应用，并展现出良好的发展前景。国际领先企业已经开始市场布局，全球新一轮的产业升级已经开始，正在逐渐进入第三代半导体时代。

SiC是目前发展最成熟的宽禁带功率半导体材料，GaN 紧随其后，金刚石、AlN 和 Ga2O3等也成为国际前沿研究热点。下面以 SiC和 GaN器件为例，论述当前第三代宽禁带功率半导体的发展现状。

2 第三代宽禁带功率半导体的发展现状

由于制造设备、制造工艺以及成本的劣势，既往多年来第三代宽禁带功率半导体材料只是在小范围内应用，无法挑战Si基半导体的统治地位。最近几年，随着材料科学技术的快速发展，SiC和GaN等宽禁带半导体材料的关键技术问题得到了根本性质的突破。

在 5G 和新能源汽车等新市场需求的驱动下，第三代宽禁带功率半导体材料有望迎来加速发展。Si基半导体的性能已无法完全满足5G通信和高效新能源汽车等电动化交通以及航天、军工等的需求，SiC 和 GaN 等第三代宽禁带功率半导体的优势被放大。

2.1 SiC 单晶材料的发展现状

目前生长 SiC 单晶最成熟的方法是物理气相输运（PVT）法，其生长机理是：在超过 2000℃高温下将 C粉和 Si粉升华分解成为 Si原子、Si2C分子和SiC2分子等气相物质，在温度梯度的驱动下，这些气相物质将被输运到温度较低的 SiC 籽晶上形成4H型SiC晶体。通过控制PVT的温场、气流等工艺参数可以生长特定的4H-SiC晶型。

SiC单晶材料主要有导通型衬底和半绝缘衬底两种。高质量、大尺寸的 SiC 单晶材料是 SiC 技术发展首要解决的问题，持续增大晶圆尺寸、降低缺陷密度（微管、位错、层错等）是其重点发展方向。2010 年，美国 Cree 公司发布 6 英寸（1 英寸=25.4mm）SiC 单晶衬底样品，并于 2015 年开始批量供货；2015年，美国 Cree、II-Ⅵ公司推出了 8英寸 SiC单晶衬底材料样品[6]。

全球导通型 SiC 晶圆材料市场的发展趋势。导通型SiC单晶衬底材料是制造SiC功率半导体器件的基材。根据 Yolo 公司统计，2017 年 4 英寸 SiC晶圆市场接近10万片；6英寸SiC晶圆供货约1.5万片；2020 年，4 英寸 SiC 晶圆的产能约为 20 万片左右，单价将降低25%；6英寸SiC晶圆的市场需求将超过20万片。预计2020—2025年，4英寸SiC晶圆的单价每年下降 10% 左右，市场规模将逐步减少到 8 万片；在 2025—2030 年，4 英寸晶圆将逐渐退出市场，6英寸晶圆将增长至50万片[7]。

目前 SiC 衬底技术相对简单，国内主要 SiC 单晶衬底材料企业和研发机构已经具备了成熟的 4英寸零微管 SiC 单晶产品能力，并已经研发出了 6英寸单晶样品，例如，中国电子科技集团第五十五研究所（以下简称中电科 55 所）于 2016 和 2018 年分别开发出了 4 英寸 SiC 圆片样件和 6 英寸 SiC 产品技术。在 2016—2019年中国 SiC、GaN 电力电子产业值持续提高。据中国第三代半导体产业技术创新战略联盟（CASA）初步统计，2019 年中国 SiC、GaN 电力电子和微波射频产值（供给）超过 60 亿元；2019年SiC、GaN功率电子产值规模达26亿元，同比增长 84%。但是在晶体材料质量和产业化能力方面距离国际先进水平存在一定差距。

2.2 SiC 功率器件的发展现状

SiC 功率半导体器件包括二极管和晶体管，其中二极管主要有结势垒肖特基（JBS）功率二极管、pin功率二极管和混合pin肖特基二极管（MPS）；晶体管主要有金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、双极型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和门极可关断晶闸管（GTO）等。

2001 年，德国英飞凌（Infineon）公司最先发布SiC JBS 产品，同年美国 Cree 公司也实现了 SiCJBS。由于 SiC 晶体管的技术难度大，产业化进度落后于二极管。2010年，日本 Rohm公司首先量产SiC MOSFET 产品，2011年美国 Cree公司开始销售SiC MOSFET 产品。SiC IGBT 和 GTO 等器件由于技术难度更大，仍处于研发阶段，距离产业化有较大的差距。SiC JBS二极管和MOSFET晶体管由于其性能优越，成为目前应用最广泛、产业化成熟度最高的SiC功率器件。

随着国际上 SiC 功率器件技术的进步和制造工艺从 4英寸升级到 6英寸，器件产业化水平不断提高，SiC 功率器件的成本迅速下降。全球 SiC 功率器件市场的发展趋势。2017 年全球 SiC 功率器件（主要是SiC JBS和MOSFET）的市场接近17亿美元。Yole 公司曾预测（图 2）[8]，2017—2020 年，SiC器件的复合年均增长率超过 28%，2020 年市场规模达到 35 亿元美元，并以超过 40% 的复合年均增长率继续快速增长；预计到 2025 年，全球 SiC 功率器件市场规模将超过 150 亿美元，SiC 的年均增长率会达到 30%，将占功率器件市场总额的 13%，新能源汽车所使用的 SiC 将占 SiC 市场总份额的65%；到 2030 年，全球 SiC 功率器件市场规模将超过 500 亿元美元，其中国内 SiC 器件的市场将占据国际市场的40%~50%。

目前，国际上主要的 SiC功率器件产业化公司有美国 Wolfspeed（Cree 旗下公司）、德国 Infineon、日本 Rohm、欧洲的意法半导体（ST Microelectron⁃ics）、日本三菱（Mitsubishi），这几家大公司约占国际市场的 90%，另外，美国通用电气（GE）、日本丰田（Toyota）、日本富士（Fuji）、日本东芝（Toshiba）、MicroSemi、USCi、GeneSiC等公司也开发了SiC功率器件产品。在SiC二极管产品方面，美国Wolfspeed（包括 Cree）、德国 Infineon 公司已经推出了五代SiC JBS产品；其中Wolfspeed的第四代及以前的产品为平面型，第五代为沟槽型，并且在第五代 650V 器件中采用晶圆减薄工艺将 SiC 晶圆由 370 μm减薄至 180 μm，进一步提高了器件的性能。Rohm公司开发了三代 SiC二极管，最新产品也采用了沟槽型结构。Infineon 公司的前四代 SiC 二极管以600、650 V产品为主，从第五代开始推出1200 V产品，即将推出第六代低开启电压的 SiC JBS 产品[9]。

在 MOSFET 器件方面，Wolfspeed 公司推出 600、1200 和 1700 V 共 3 个电压等级、几十款平面栅MOSFET 器件产品，电流从 1~50 A 不等；2017 年 3月，美国 Wolfspeed 公司发布了 900 V/150 A 的 SiCMOSFET 芯片，是目前单芯片电流容量最大的 SiCMOSFET产品；Rohm公司的SiC MOSFET产品有平面栅和沟槽栅两类，电压等级有 650 和 1200 V；意法半导体开发了 650 和 1200 V 这 2 个电压等级的SiC MOSFET产品，Infineon公司也推出了沟槽栅的1200 V SiC MOSFET 产品。另外，GeneSiC 公司开发了 1200 和 1700 V 的 SiC BJT 产品，Infineon 和USCi公司开发了 1200 V的 SiC JFET产品[10]。在研发领域，国际上已经开发了 10 kV 以上的 JBS、MOSFET、JFET、GTO 等器件样品，以及 20 kV 以上的pin、GTO和IGBT器件样品，由于受到SiC材料缺陷水平、器件设计技术、芯片制造工艺、器件封装驱动技术以及市场需求的制约，以上高压器件短期内无法实现产业化。

为了进一步提升 SiC功率器件的电流容量，通常采用模块封装的方法把多个芯片进行并联集成封装。SiC 功率模块首先是从由硅 IGBT 芯片和SiC JBS二极管芯片组成的混合功率模块产品发展起来的[11]。随着 SiC MOSFET 器件的成熟，Wolf⁃speed、Infineon、三菱、Rohm 等公司开发了由 SiCJBS二极管和 MOSFET组成的全 SiC功率模块。目前，国际上 SiC 功率模块产品最高电压等级 3300V，最大电流 700 A，最高工作温度 175℃。在研发领域，全 SiC 功率模块最大电流容量达到 1200 A，最高工作温度达到250℃，并采用芯片双面焊接、新型互联和紧凑型封装等技术来提高模块性能。

“十二五”初期，中国掀起了研发第三代功率半导体器件领域的热潮；“十三五”期间，中国掀起了第三代功率半导体材料和器件产业化的浪潮[12]。中国在“十三五”期间新能源汽车电驱动领域设置了 3 个重点研发专项，从下游应用端拉动 SiC 功率器件的研发和产业化。中国 SiC 产业链如图 3 所示，与 Cree、Rohm 类似的全流程布局的有三安光电、世纪金光公司；主要负责 SiC 衬底生产的企业有天科合达、山东天岳；负责 SiC 外延片生产的有东莞天域、厦门瀚天天成；负责器件设计的有台湾瀚薪、深圳基本半导体；而以集成器件制造（inte⁃grated device manufacture, IDM）形式生产器件和模块的企业有泰科天润、瑞能半导体、汇川技术、宇顺电子、延辉众创电子、中国中车等多家国有企业，其产品已经广泛应用于智能电网、新能源汽车以及城市轨道交通等领域，提高了国内相关产业的工业化水平。

2.3 GaN 功率器件的发展现状

早在2001年美国国防部就推动高级研究计划局的宽带隙半导体技术计划，力求满足军方对小型高功率射频器件的需求。宽带隙半导体技术计划严重倾向于军事应用，不计成本地追求可预测性能特性和故障率的可复制GaN器件[13]。但是，随着化合物半导体供应商不断完善其生产工艺，计划最终可以使政府获得性能更高、成本更加低廉的射频（RF）元件。

在民用领域，有线电视运营商最先开始大规模地开发和使用 GaN 功率器件，以在增加带宽的同时，通过提高能源效率降低运营成本。尽管与GaAs 相比，SiC 基 GaN（GaN-on-SiC）的价格更高，但是有线电视基础设施的成本压力要比无线手机小得多，而且节省的运营成本可以超过增加的购置成本。

通过早期对GaN功率器件的研究和应用，目前SiC 基 GaN 和硅基 GaN 之间的性能差距已经显著缩小，所产生的经济高效的硅基GaN功率晶体管如今已与 SiC基 GaN具有同样的电源效率和热特性。在无线基站市场，该性能使得GaN可以撼动横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）在基站功率放大器领域几十年来的主导地位，并对基站性能和运营成本产生了深远影响。上一代3G基站的功率放大器器件都是基于 LDMOS 的。LDMOS 作为一种成熟且廉价的技术，在 4G 基站市场占据了先机。随着时间的推移，GaN 功率放大器在 4G 领域取得了重大进展，GaN 提供的显著技术优势（包括能源效率更高、带宽更宽、功率密度更大和外形因子更小）使之以LDMOS天然替代者的身份来服务于下一代基站，尤其是1.8 GHz以上的手机频段。

在 5G 领域中，基于 GaN 的功率放大器更是取得了蓬勃的发展，目前中国基站厂商在中国 5G 系统的初期部署中均采用了基于 GaN 的功率放大器器件，其他基站厂商也在跟进。到 2025 年，整个GaN RF 市场将从 7.4 亿美元增长到超过 20 亿美元，复合年增长率为 12％。电信基础设施和军用雷达是 RF GaN 的主要驱动力。中国在 2019 年建造了13万个5G基站，并在2020年预计建设至少50万个使用 GaN功率放大器 5G基站。到 2024年，中国的目标是部署 600 万个系统。日本、韩国、美国和其他国家也正在大力推动5G[14]。

目前全球有超过30家企业从事GaN半导体的研发，其中，实现商业化量产的企业仅有 10 家左右。如图 4 所示，GaN 器件产业链各环节依次为：GaN 单晶衬底（或 SiC、蓝宝石、Si）→GaN 材料外延→器件设计→器件制造。目前产业以 IDM 企业为主，但是设计与制造环节已经开始出现分工，如传统硅晶圆代工厂台积电开始提供 GaN 制程代工服务，国内的三安集成公司也有成熟的GaN制程代工服务。

GaN衬底主要由日本公司主导，日本住友电工的市场份额达到 90% 以上。国内已经小批量生产2英寸衬底，具备 4英寸衬底生产能力，并开发出 6英寸衬底样品，国内的纳维科技、中镓半导体公司也有能力生产提供相关的产品。

GaN 外延片相关企业主要有比利时的 Epi⁃GaN、英国的 IQE、日本的 NTT-AT。中国厂商有苏州晶湛、苏州能华和世纪金光，苏州晶湛2014年就已研发出 8 英寸硅基外延片，现阶段已能批量生产，2018 年 12 月聚能晶源成功研制了 8 英寸硅基GaN（GaN-on-Si）外延晶圆。

GaN 器件设计厂商方面，有美国的 EPC、MA⁃COM、Transphom、Navitas，德国的 Dialog，国内有被中资收购的安谱隆（Ampleon）等。全球 GaN 射频器件独立设计生产供应商（IDM）中，住友电工和 Cree 是行业的龙头企业，市场占有率均超过 30%，其次为 Qorvo 和 MACOM。住友电工在无线通信领域市场份额较大，其已成为华为核心供应商，为华为 GaN 射频器件最大供应商。此外，还有法国 Exagan、荷兰 NXP、德国英飞凌、日本三菱电机、美国Ⅱ-Ⅵ等。

中国的GaN发展虽然起步晚，但在政策不断支持下 GaN 相关产业也在迅速地发展。2013年的国家高技术研究发展计划（863 计划）明确将第三代半导体材料及其应用列为重要内容。2015和2016年国家科技重大专项02专项也对第三代半导体功率器件的研制和应用进行立项。2017年，北京、江苏、山东和广东等地陆续出台促进化合物半导体发展的 62 项相关政策[15]。国内已经形成了第三代半导体产业发展的聚集区，包括京津冀、长三角、珠三角和闽三角。地方政府出台“十三五规划”“重点研发计划”“科技创新规划”中涉及第三代半导体条款的政策有30条。在政策的支持下中国企业目前可以小批量生产 2英寸衬底，具备 4英寸衬底生产的能力，开发出了 6 英寸样品，并在建多个与第三代半导体相关的研发中试平台。

3 第三代半导体应用成果

3.1 SiC 器件应用成果

由于 SiC功率器件在应用中有高转化效率、功率密度大、高频对外围组件体积的减少、耐高温、使用寿命长等优势，因此其在电力转换需求频繁、对电力转换组件有体积或质量要求、相对高温的使用环境上有得天独厚的优势。当前 SiC 功率器件主要应用领域有各类电源及服务器，光伏逆变器，风电逆变器，新能源汽车的车载充电机、电机驱动系统、直流充电桩，变频空调，轨道交通，军工等。

在新能源汽车领域，采用 SiC功率器件因其对电能较高的转化效率可以提升电池的能量利用率；同时，因其功率密度大、高频率可减少电力转化模块的体积和质量，也因其对高温的耐受能力更强使其节省了散热组件，实现了整车轻量化。综合来看，采用 SiC功率器件可使新能源汽车在同样的电池容量下实现更高的续航里程。2015 年，特斯拉Model 3开始采用分立SiC MOSFET的电机控制器，（图 5（a））。在 2016 年，日本丰田和电装联合研发的 SiC电机控制器，能量损耗较先前的产品降低了10%；日本罗姆公司为 Formula E 方程式赛车提供了全 SiC 控制器，相比 IGBT 控制器，体积减小了43%，质量减小 6 kg[16]。与此同时国内研究机构也在积极研究SiC控制器的应用

2017年，中国科学院电工研究所开发出 600 VDC、峰值功率 85 kW 的SiC 电机控制器样件。2018 年，特斯拉 Model 3 采用了意法半导体生产的 SiC逆变器，是第一家在主逆变器中集成全SiC功率模块的车企[17]。同年精进电动研发出 600 VDC、峰值 120 kW 水冷 SiC 电机控制器，而 2020 年 7 月新上市的比亚迪-汉 EV 也搭载了高性能SiC-MOSFET控制模块（图5（b）），功率密度超过 30 kW/L。2020 年 11 月精进电动宣布其300~600 kW 系列 SiC MOSFET 控制器（图 5（c）），获得了德国大众商用车公司 TRATON 集团客车和重卡等电动化商用车驱动电机控制器的量产合同，功率密度大于 40 kW/L，在不同工况下比硅基控制器节能3%~6%。

另外，因高功率直流充电桩在快速充电方面的优势，SiC 功率器件以其高转化效率、功率密度大、耐高温、使用寿命长的特点，更适合用在高频次使用的直流充电桩上，以降低电能损耗、节省充电桩体积、提高充电速率、延长设备使用寿命。并且当前 SiC 功率器件做成的充电桩功率模组虽然在器件成本上相较于Si基器件贵3~5倍，但由于减少了外围电容、电感等其他组件，使得总体器件数量为Si基的 1/2 左右，系统成本仅比充电桩硅基模组高10% ~ 20% 。相较于折旧增加带来的成本，电力节约而节省的成本更为突出，使得在专用充电桩领域SiC替代Si基功率器件有经济优势。

在绿色能源领域，光伏发电是产生直流电，若要并入电网则需要逆变成交流电，这个电能转换过程便需要功率器件的参与。SiC功率模块与采用Si基IGBT的功率模块相比，可将开关损失降低85%，采用 SiC功率器件可直接提升电能的转化效率，增加其并网发电收入。风力发电是先产生频率、电压、电流不稳定的交流电，经过整流成为直流电后再统一逆变成可并网的交流电，整个电能转换过程需要经过整流、逆变两步，因此采用转化效率更高的 SiC 功率器件能更好地提升风能的利用效率。同时，SiC 功率器件因其材料特性使用寿命比硅基器件更久，也更耐受极端环境，更适合光伏、风力发电领域。

在轨道交通领域中，国内外已经有多家公司和科研院所都关注 SiC 器件在牵引变流器系统中的应用研究，其中一些机构已经将产品市场化并在轨道列车上安装运行。三菱电机公司开发了一款适用于轨道列车牵引系统的 3.3 kV全 SiC功率模块，通过将该高耐压全 SiC 功率模块应用于轨道车逆变器系统中的主电路系统，主电路系统可以比现有系统节约大约 30% 的功率。2013 年，三菱电机公司宣布推出一款用于1500 V直流悬链线的轨道车牵引逆变器系统（图6[18）， ] 该系统采用全SiC功率模块，开关损耗比三菱电机采IGBT 功率模块的传统逆变器系统约低 55%。该系统还通过在广泛的速度范围内使用再生制动器提高再生能量。得益于这些解决方案，与传统系统相比，铁路车辆系统（包括其电机）的总能耗降低了约30%。与具有IG⁃BT 功率模块的传统逆变器系统相比，尺寸和质量减小约 65%，与具有 SiC 二极管的现有混合逆变器系统相比减小约30%[19]。

在大型服务器、数据中心或比特币矿场中，电费是主要的运营成本，在其运行过程中根据负载设备的需要会进行频繁的电能转换，功率器件是这类设备电源的主要组成部分。因为 SiC 功率器件在电能转换上的高效率、耐高温、使用寿命长的特性，使其在这类 IT 应用中能为使用者节省大量能耗、替换维护成本。

除上述领域之外，在家电、军工、航空航天、工业控制、智能电网等诸多领域 SiC功率器件因其自身高性能的优势也有初步使用或研发跟进。综合来看，新能源汽车、绿色能源、大型服务器、数据中心等领域对 SiC功率器件的需求较为迫切，且有一定成熟应用，其他领域也在逐步推进（表 1），总体上市场对高性能的 SiC 功率器件保持持续的需求增长状态。

3.2 GaN 器件的应用成果

GaN 功率器件具有禁带宽度大、热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性，并且器件制造技术的突破使得 GaN 器件的成本得到控制，使得 GaN 功率器件目前已经在新能源汽车、半导体照明、新一代移动通信和消费电子领域中得到广泛应用。

GaN具备导通电阻小、损耗低以及能源转换效率高等优点，由GaN制成的充电器可以做到更高的功率密度。安卓端率先将 GaN 技术导入到快充领域，随着 GaN 生产成本迅速下降，GaN 快充有望成为消费电子领域下一个杀手级应用。预计全球GaN 功率半导体市场规模从 2018 年的 873 万美元增长到 2024 年的 3.5 亿美元，复合增长率达到85%。2019 年 9 月，OPPO 发布国内首款 GaN 充电器SuperVOOC 2.0，充电功率为65 W；2020年2月，小米推出 65 W GaN 充电器，体积比小米笔记本充电器缩小48％，并且售价创下业内新低。

在射频微波领域，GaN 熔点在 1700℃，频率目前可达到 25 GHz，功率达到 1800 W，在航空航天、微波雷达、卫星通信，5G通信有非常大的优势。通过采用 GaN 功率器件能够有效地改善发射天线的设计，减少发射组件的数目和放大器的级数等，有效降低雷达发射系统的成本。目前，GaN已经开始取代GaAs作为新型雷达和干扰机的T/R（收/发）模块电子器件材料。美国下一代的固态有源相控阵雷达（AMDR）便采用了 GaN 半导体功率器件。并且在5G领域，GaN功率器件已经成为5G基站中的功率放大器和其他射频器件的重要支撑点，在中国2019 年建设的 13 万个 5G 基站中，已经全面使用GaN 功率放大器，并在 2020 年预计建设至少 50 万个使用 GaN功率放大器的 5G基站。到 2024年，中国的目标是部署 600 万个系统。日本、韩国、美国和其他国家也正在大力推动5G。

GaN 具有较宽的禁带宽度（3.4 eV）及利用蓝宝石等材料作衬底，散热性能好，有利于器件在大功率条件下工作。随着对Ⅲ族氮化物材料和器件研究与开发工作的不断深入，GaInN 超高度蓝光、绿光 LED 技术已经实现商品化，现在世界各大公司和研究机构都纷纷投入巨资加入到开发蓝光LED的竞争行列。

在探测器方面，已研制出 GaN 紫外探测器，波长为 369 nm，其响应速度与 Si 探测器不相上下。但这方面的研究还处于起步阶段。GaN 探测器将在导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域有重要应用。在激光器方面，GaN基激光器可以覆盖到很宽的频谱范围，实现蓝、绿和紫外激光器的制造。紫色激光器可用于制造大容量光盘，其数据存储盘空间比蓝光光盘高出20倍。

除此之外，紫色激光器还可用于医疗消毒、荧光激励光源等应用，总计市场容量为12亿美元；蓝色激光器可以和现有的红色激光器、倍频全固化绿色激光器一起，实现全真彩显示，使激光电视实现广泛应用。

4 第三代半导体的发展趋势及关键问题

在 5G 和新能源汽车等新市场需求的驱动下，第三代半导体材料有望迎来加速发展。硅基半导体的性能已无法完全满足 5G 和新能源汽车的需求，SiC 和 GaN 等第三代半导体的优势被放大。另外，制备技术的进步使得 SiC和 GaN器件成本不断下降，SiC 和 GaN 的性价比优势将充分显现。初步判断，第三代半导体未来的核心增长点将集中在SiC和GaN各自占优势的领域。

在美国能源部部署的新能源车开发项目中，60% 的项目与 SiC 器件应用相关。欧洲也制定了SiC 技术应用的 ES-CAPEE 计划和 E3Car 计划，希望突破 SiC 单晶材料生长技术、器件设计、器件制作以及应用技术[20]。日本以三菱、电装、富士为首的各大汽车部件供货商均已开发出各自的 SiC 芯片及高效 SiC 控制器。CASA 发布的《第三代半导体电力电子技术路线（2019）》显示，受益于技术进步和行业规模化的影响，SiC 功率器件最主要的原材料成本——SiC 衬底、外延片的价格近年来持续下降，主要表现为在近期5年内，衬底、外延片单位面积价格会伴随直径 200 mm 衬底的快速推广，小幅度下调，在大部分衬底提供商完成低缺陷密度单晶生长工艺及厚单晶生长工艺研发后，外延片提供商优化外延生长工艺及采用快速外延生长技术后，衬底、外延片单位面积价格会迎来相对快速的降低。未来随着 SiC 衬底、外延片尺寸的增大，单位面积价格将进一步降低。

SiC和GaN等宽禁带电力电子器件代表着电力电子器件领域发展方向，随着时间的发展，宽禁带半导体器件制备中材料和工艺上的问题必将得到逐步解决。但是即使这些问题都得到解决，宽禁带电力电子器件的价格肯定还是比硅基器件要贵。由于它们的优异特性可能主要用于中高端应用，与Si 全控器件不可能全部取代 Si 半控器件一样，SiC和 GaN 宽禁带电力电子器件在将来也不太可能全面取代 Si功率 MOSFET、IGBT 和 GTO（包括集成门极换流晶闸管（IGCT））。SiC电力电子器件将主要用于 600 V以上的高压工业应用领域；GaN电力电子器件将主要用于600 V以下的消费电子、计算机/服务器电源应用领域。

宽禁带功率半导体产业链主要包含单晶材料、外延材料、器件、模块和应用这几个环节。其中，单晶材料是宽禁带功率半导体技术和产业的基础，主要技术指标有单晶直径、微管密度、单晶电阻率、表面粗糙度、翘曲度等；外延材料是实现器件制造的关键，主要技术指标有外延片直径、外延层厚度、外延层掺杂浓度和表面缺陷密度等；器件是整个产业链的核心，主要技术指标有阻断电压、单芯片导通电流/电阻、阻断状态的漏电流、工作温度等；模块是实现器件应用的桥梁，主要技术指标有模块容量、热阻、寄生参数和驱动保护等；应用是宽禁带功率半导体器件和产业发展的源动力，主要技术指标是开关频率、转换效率和功率密度等。以 SiC 为例，在宽禁带半导体产业上还存在以下问题。

1）大尺寸 SiC 单晶衬底制备技术仍不成熟。目前国际上 SiC 芯片的制造已经从 4英寸换代到 6英寸，并已经开发出了8英寸SiC单晶样品，与先进的硅功率半导体器件相比，单晶衬底尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。并且缺乏更高效的 SiC单晶衬底加工技术。SiC单晶衬底材料线切割工艺存在材料损耗大、效率低等缺点，必须进一步开发大尺寸 SiC晶体的切割工艺，提高加工效率。衬底表面加工质量的好坏直接决定了外延材料的表面缺陷密度，而大尺寸 SiC衬底的研磨和抛光工艺仍不能满足要求，需要进一步开发研磨、抛光工艺参数，降低晶圆表面粗糙度。

p 型衬底技术的研发较为滞后。目前商业化的 SiC 产品是单极型器件。未来高压双极型器件需要 p 型衬底。目前 SiC p 型单晶衬底缺陷较高、电阻率较高，其基础科学问题尚未得到突破，技术开发滞后。近年来，中国 SiC单晶材料领域取得了长足进步，但与国际水平相比仍存在一定的差距。除了以上共性问题以外，中国 SiC 单晶材料领域在以下 2个方面存在巨大的风险：一是 SiC单晶企业无法为国内已经/即将投产的 6英寸芯片工艺线提供高质量的 6 英寸单晶衬底材料；二是 SiC 材料的检测设备完全被国外公司所垄断。

2）n 型 SiC 外延生长技术有待进一步提高。目前外延材料生长过程中气流和温度控制等技术仍不完美，在 6 英寸 SiC 单晶衬底上生长高均匀性的外延材料技术仍有一定挑战，一定程度影响了中低压 SiC 芯片良率的提高。p 型 SiC 外延技术仍不成熟。高压 SiC 功率器件是双极型器件，对 p 型重掺杂外延材料提出了要求，目前尚无满足需求的低缺陷、重掺杂的p型SiC外延材料。

近年来中国 SiC 外延材料技术获得了长足进展，申请了一系列的专利，正在缩小与其他国家的差距，已经开始批量采用本土 4 英寸单晶衬底材料，产品已经打入国际市场。但是，目前国内 SiC外延材料产品以4英寸为主，由于受单晶衬底材料的局限，尚无法批量供货 6 英寸产品。并且 SiC 外延材料加工设备全部进口，将制约中国独立自主产业的发展壮大。

3）虽然国际上 SiC 器件技术和产业化水平发展迅速，开始了小范围替代硅基二极管和 IGBT 的市场化进程，但是 SiC功率器件的市场优势尚未完全形成，尚不能撼动目前硅功率半导体器件市场上的主体地位。国际 SiC 器件领域存在的问题主要有：SiC单晶及外延技术还不够完美，高质量的厚外延技术不成熟，这使得制造高压 SiC 器件非常困难，而外延层的缺陷密度又制约了 SiC功率器件向大容量方向发展；SiC器件工艺技术水平还比较低，这是制约 SiC 功率器件发展和推广实现的技术瓶颈，特别是高温大剂量高能离子注入工艺、超高温退火工艺、深槽刻蚀工艺和高质量氧化层生长工艺尚不理想，使得 SiC功率器件中存在不同程度的高温和长期工作条件下可靠性低的缺陷；在 SiC功率器件的可靠性验证方面，其试验标准和评价方法基本沿用 Si器件，尚未有专门针对 SiC功率器件特点的可靠性试验标准和评价方法，导致试验情况与实际使用的可靠性有差距；在 SiC 功率器件测试方面，SiC器件测试设备、测试方法和测试标准基本沿用 Si 器件的测试方法，导致 SiC 器件动态特性、安全工作区等测试结果不够准确，缺乏统一的测试评价标准。

除了以上共性问题外，中国 SiC功率器件领域发展还存在研发时间短，技术储备不足，进行 SiC功率器件研发的科研单位较少，研发团队的技术水平跟国外还有一定的差距等问题，特别是在以下 3个方面差距巨大：（1）在 SiC MOSFET 器件方面的研发进展缓慢，只有少数单位具备独立的研发能力，存在一定程度上依赖国际代工企业制造芯片的弊病，容易受制于人，产业化水平不容乐观。（2）SiC 芯片主要的工艺设备基本上被国外公司所垄断，特别是高温离子注入设备、超高温退火设备和高质量氧化层生长设备等，国内大规模建立 SiC工艺线所采用的关键设备基本需要进口。（3）SiC 器件高端检测设备被国外所垄断。

4）当前 SiC 功率模块主要有引线键合型和平面封装型 2 种。为了充分发挥 SiC 功率器件的高温、高频优势，必须不断降低功率模块的寄生电感、降低互连层热阻，并提高芯片在高温下的稳定运行能力。目前 SiC 功率模块存在的主要问题：（1）采用多芯片并联的 SiC 功率模块，由于结电容小、开关速度高，因此在开关过程中会出现极高的电流上升率（di/dt）和电压上升率（du/dt），在这种情况下会产生较严重的电磁干扰和额外损耗，无法发挥 SiC器件的优良性能；SiC 功率模块的封装工艺和封装材料基本沿用了硅功率模块的成熟技术，在焊接、引线、基板、散热等方面的创新不足，功率模块杂散参数较大，可靠性不高。（2）SiC功率高温封装技术发展滞后。目前 SiC器件高温、高功率密度封装的工艺及材料尚不完全成熟。为了发挥 SiC 功率器件的高温优势，必须进一步研发先进烧结材料和工艺，在高温、高可靠封装材料及互连技术等方面实现整体突破。

5）SiC 功率器件的驱动技术尚不成熟。为了充分发挥 SiC 功率器件的高频、高温特性，要求其驱动芯片具有工作温度高、驱动电流大和可靠性高的特点，目前 SiC功率器件的驱动芯片及驱动电路仍然沿用硅器件的驱动技术，尚不能发挥 SiC功率器件高温、高频的工作特性，使得 SiC 功率器件在实际使用过程中难以达到设计的极限性能。

6）SiC器件的应用模型尚不能全面反映SiC器件的物理特性。目前 SiC 器件物理特性的数学模型主要有基于模拟等效电路的数学模型和基于物理模型的数学模型。基于模拟等效电路的模型结构简单，但是精度难以保证，一般只适合于对精度要求较低的常规工业场合。基于物理模型的数学模型能够描述 SiC器件内部物理特性的变化规律，但是其形式非常复杂，计算量巨大，难以实现对SiC器件特性的在线快速仿真和计算。目前在工业应用中所使用的 SiC 器件模型是将两种模型结合在一起，采用半经验短沟道模型对功率元件的物理特性进行分析，既简化了物理模型的复杂程度，又提高了等效模型的计算精度。并在研究过程中通过不断改进半物理模型来提高 SiC 功率器件模型的准确性，但上述半物理模型仍是局限于对传统硅功率器件物理模型的部分缺陷进行的改进，并没有针对 SiC 功率器件的物理模型进行分析，缺少对 SiC功率器件内部特性和输出特性的全面性的研究，目前SiC功率器件数学模型的精度尚不能对SiC器件的电路拓扑仿真设计提供准确的指导。

这些内容将是未来中国第三代半导体产业亟待解决的问题和研究方向。预计新能源汽车电机控制器、DC/DC 电源、充电机等将是第三代宽禁带功率半导体下游应用端的主要市场拉动力。为此在中国工业和信息化部指导下，中国汽车工程学会牵头的《节能与新能源技术路线图2.0》的电驱动技术路线图中给出了 SiC MOSFET 的技术路线图（图7）[21]。在总体目标、主要指标和关键技术 3个维度给出了2025、2030、2035年这3个时间节点的参数，为产业链提供方向和路线上的参考。

5 结论

在目前的三代半导体领域中，中国在以Si为代表的第一代半导体材料和国际一线水平差距最大，在生产设备方面几乎所有的晶圆代工厂都会用到美国公司的设备，2019年全球前5名芯片设备生产商3家来自美国；而中国的北方华创、中微半导体、上海微电子等中国优秀的芯片公司只是在刻蚀设备、清洗设备、光刻机等部分细分领域实现突破，设备领域的国产化率还不到20%。在应用材料方面，美国已连续多年位列第一，中国的高端光刻胶几乎依赖进口，全球五大硅晶圆的供应商占据了高达92.8%的产能，美国、日本、韩国的公司具有垄断地位。

在生产代工方面，2019 年台积电市场占有率高达 52%，韩国三星占了18% 左右，中国最优秀的芯片制造公司中芯国际只占 5%，且在制程上与前面2个头部公司有8~10年的差距。但是，在以 GaAs 为代表的第二代半导体领域中国已有突破迹象。在 GaAs 三大产业链环节（晶圆、晶圆制造代工、核心元器件），目前都以欧美、日本和中国台湾厂商为主导。中国大陆企业起步晚，在产业链中话语权不强。不过从3个环节来看，已经有突破迹象。华为已经实现将手机射频关键部件——功率放大器（PA）通过自己研发然后转单给三安光电代工。

在以 GaN 和 SiC为代表第三代半导体方面，中国有追赶和超车的机会。由于第三代半导体材料研究于 21 世纪初开始产业化应用，各国的研究和水平相差不远，国内产业界和专家认为第三代半导体材料成了中国摆脱集成电路（芯片）被动局面、实现芯片技术追赶和超车的良机。例如在汽车产业，中国目前已经利用发展新能源汽车的模式拉近和美、欧、日等国家和地区的距离，并在某些领域实现了换道超车的局面。第三代半导体材料性能优异、未来应用广泛，中国目前已有 70 多家企事业在进行第三代半导体的相关研发与生产，涉及宽禁带半导体的单晶衬底材料、外延材料、器件设计和制造工艺，但离形成完整产业链尚有较大差距。衬底和外延材料、器件设计和制造工艺以及材料质量评价和性能验证是环环相扣、互相推动的统一整体。因此需要在国家政策进一步指导之下，发挥行业协会和产业联盟的桥梁和纽带作用，对衬底材料、外延材料、器件设计和制造工艺等产业链各环节进行整体支撑，引导各环节间实现资源共享、强强联合，上下游互相拉动和促进，形成一个布局合理、结构完整的产业链，实现中国第三代半导体产业的健康、快速和可持续发展。

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