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硅的瓶頸與寬禁帶半導體的興起

1、 Si 材料的歷史與瓶頸

上世紀五十年代以來，以硅（Si）材料為代表的第一代半導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 在光電子領域和高頻高功率器件方面的應用受到諸多限制，在高頻下工作性能較差，不適用于高壓應用場景，光學性能也得不到突破。

▲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體材料開始嶄露頭角，使半導體材料的應用進入光電子領域，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，以高亮度藍光發(fā)光二極管（LED）和藍光激光器（LD）的研制成功為標志，包括 GaN、碳化硅（SiC）和氧化鋅（ZnO）等寬禁帶材料。

▲半導體材料特性對比

▲半導體材料與器件發(fā)展史

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

▲SiC、 GaN 與 Si 性能差異

▲SiC、 GaN 與 Si 各有優(yōu)勢領域

2、 SiC/GaN：穩(wěn)定爬升的光明期

雖然學術界和產(chǎn)業(yè)界很早認識到 SiC和 GaN相對于傳統(tǒng)Si 材料的優(yōu)點，但是由于制造設備、制造工藝與成本的劣勢，多年來只是在小范圍內得到應用，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)勢使得相關產(chǎn)品的研發(fā)與應用加速；隨著制備技術的進步，SiC 與 GaN 器件與模塊在成本上已經(jīng)可以納入備選方案內，需求拉動疊加成本降低， SiC/GaN 的時代即將迎來。

 ▲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體材料，在熱、化學、機械方面都非常穩(wěn)定。C 原子和 Si 原子不同的結合方式使 SiC 擁有多種晶格結構，如4H、6H、3C 等等。4H-SiC 因為其較高的載流子遷移率，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 結構

▲SiC 晶圓

SiC 從上個世紀 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)當中。隨著 6 英寸 SiC 單晶襯底和外延晶片的缺陷降低和質量提高，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行，這將進一步降低SiC材料和器件成本，推進 SiC 器件和模塊的普及。

▲SiC 功率器件的發(fā)展歷史

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

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

低阻值使得更易實現(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到僅為 Si 的 1/10 左右。

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

▲SiC 能大大降低功率轉換中的開關損耗

▲SiC 更容易實現(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，對應的是產(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 英寸導電型襯底產(chǎn)品，國內襯底以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間。

SiC 外延：通常用化學氣相沉積（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。價格方面，國際上的 SiC 產(chǎn)品價格是對應 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產(chǎn)上線，未來 2~3年后市場供應加大，價格將進一步下降，預計價格達到對應 Si 產(chǎn)品2~3 倍時，由系統(tǒng)成本減少和性能提升帶來的優(yōu)勢將推動 SiC 逐步占領 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、器件以及應用產(chǎn)業(yè)鏈，典型公司是英飛凌、意法半導體等；日本是設備和模塊開發(fā)方面的領先者，典型公司是羅姆半導體、三菱電機、富士電機等。

▲SiC 產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)公司

3、SiC 市場：汽車是最大驅動力

SiC 器件正在廣泛地被應用在電力電子領域中，典型市場包括軌交、功率因數(shù)校正電源（PFC）、風電（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 的預測， 2017~2023 年，SiC 功率器件市場將以每年 31%的復合增長率增長， 2023 年將超過 15億美元；而 SiC 行業(yè)龍頭 Cree 則更為樂觀，其預計短期到 2022 年，SiC 在電動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 器件應用領域廣泛

▲2022 年 SiC 在電動車市場規(guī)模達到 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，技術也已經(jīng)趨于成熟，令其成為實現(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、逆變器、DC-DC 轉換器、車載充電器等方面。

▲SiC 器件在四個關鍵領域提升電動汽車的系統(tǒng)效率

新能源車的功率控制單元（PCU）。PCU 是汽車電驅系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，管理電池中的電能與電機之間的流向、傳遞速度。傳統(tǒng) PCU 使用硅基材料半導體制成，強電流與高壓電穿過硅制晶體管和二極管的時的電能損耗是混合動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)實驗室（CRDL）和電裝公司從 1980 年代就開始合作開發(fā) SiC 半導體材料，2014 年雙方正式發(fā)布了基于 SiC 半導體器件的新能源汽車 PCU，是這一領域的典型代表。

▲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。在相同功率等級下，全 SiC 模塊的封裝尺寸顯著小于 Si模塊，同時也可以使開關損耗降低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，支持逆變器達到更高功率。特斯拉 Model 3 采用了意法半導體（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 車隊在電動汽車全球頂級賽事“FIAFormula E” 錦標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域的應用趨勢，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 等電動汽車充電器的 SiC功率器件產(chǎn)品。據(jù) Yole 統(tǒng)計，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 應用的關鍵材料

1、 GaN：5G 應用的關鍵材料

GaN 材料與 Si/SiC 相比有獨特優(yōu)勢。GaN 與 SiC 同屬于第三代寬禁帶半導體材料，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，又是堅硬的高熔點材料，熔點約為 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構。

▲GaN 原胞結構

▲典型 GaN HEMT 結構

GaN 器件逐步步入成熟階段。基于 GaN 的 LED 自上世紀 90 年代開始大放異彩，目前已是 LED 的主流，自 20 世紀初以來，GaN 功率器件已經(jīng)逐步商業(yè)化。2010 年，第一個 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)勢領域。根據(jù) Yole 估計，在0~900V 的低壓市場，GaN 都有較大的應用潛力，這一塊占據(jù)整個功率市場約 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)勢領域

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

▲GaN RF 市場規(guī)模于 2023 年達到 13 億美金

2、GaN 在電力電子領域與微波射頻領域均有優(yōu)勢

GaN 在電力電子領域主要優(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電子充電器、新能源充電樁、數(shù)據(jù)中心等領域具有很大的應用前景。

高轉換效率：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 開關功率器件的導通電阻比 Si 器件低 3 個數(shù)量級，大大降低了開關的導通損耗。

低導通損耗：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 開關功率器件的導通電阻比 Si 器件低 3 個數(shù)量級，大大降低了開關的導通損耗。

高工作頻率：GaN 開關器件寄生電容小，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能原件如電容、電感的體積，從而成倍地減少設備體積，減少銅等貴重原材料的消耗。

▲Si 功率器件開關速度慢，能量損耗大

▲ GaN 開關速度快，可大幅度提升效率

GaN 在微波射頻領域主要優(yōu)勢在于高效率、大帶寬與高功率。為射頻元件材料，GaN 在電信基礎設施和國防軍工方面應用已經(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，降低總運行成本。

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

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、衛(wèi)星通信、中繼通信等領域。

▲GaN 器件在電力電子領域與微波射頻領域的優(yōu)勢

3、GaN 市場：射頻是主戰(zhàn)場，5G 是重要機遇

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（橫向擴散金屬氧化物半導體）工藝，以及 GaN工藝。GaAs 器件的缺點是器件功率較低，低于 50W。LDMOS 器件的缺點是工作頻率存在極限，最高有效頻率在 3GHz 以下。GaN 彌補了GaAs 和 Si 基 LDMOS 兩種老式技術之間的缺陷，在體現(xiàn) GaAs 高頻性能的同時，結合了 Si 基 LDMOS 的功率處理能力。

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

▲使用 GaN 前后的效率對比

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。熱導率方面，GaN-on-SiC 的熱導率遠高于 GaAs，這意味著器件中的功耗可以更容易地轉移到周圍環(huán)境中，散熱性更好。

▲多級 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率

GaN 是 5G 應用的關鍵技術。5G 將帶來半導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 的關鍵技術。

在 Massive MIMO 應用中，基站收發(fā)信機上使用大數(shù)量（如 32/64 等）的陣列天線來實現(xiàn)了更大的無線數(shù)據(jù)流量和連接可靠性，這種架構需要相應的射頻收發(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鍵，利用 GaN 的尺寸小、效率高和功率密度大的特點可實現(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)量也會大為增加，因此相比 3G、4G 時代，5G 時代的射頻器件將會以幾十倍、甚至上百倍的數(shù)量增加。在 5G 毫米波應用上，GaN 的高功率密度特性在實現(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 時代應用廣泛

▲GaN 材料 5G 基站發(fā)展趨勢

GaN 在電力電子器件領域多用于電源設備。由于結構中包含可以實現(xiàn)高速性能的異質結二維電子氣，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域，如輕量化的消費電子電源適配器、無人機用超輕電源、無線充電設備等。

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別，內置 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：今日半導體)