盤點(diǎn)第三代半導(dǎo)體性能及應(yīng)用

近日科技部高新司在北京組織召開(kāi)“十二五”期間863計(jì)劃重點(diǎn)支持的“第三代半導(dǎo)體器件制備及評(píng)價(jià)技術(shù)”項(xiàng)目驗(yàn)收會(huì)。通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，我國(guó)在第三代半導(dǎo)體關(guān)鍵的碳化硅和氮化鎵材料、功率器件、高性能封裝以及可見(jiàn)光通信等領(lǐng)域取得突破。

中國(guó)開(kāi)展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國(guó)外相比水平較低，阻礙國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體研究進(jìn)展的重要因素是原始創(chuàng)新問(wèn)題。隨著國(guó)家對(duì)第三代半導(dǎo)體材料的重視，近年來(lái)，我國(guó)半導(dǎo)體材料市場(chǎng)發(fā)展迅速。其中以碳化硅與氮化鎵為主的材料備受關(guān)注。我們認(rèn)為，該項(xiàng)目取得的進(jìn)展，顯示出我國(guó)在半導(dǎo)體前沿材料的研究方面取得了突破進(jìn)展，有助于支撐我國(guó)在節(jié)能減排、現(xiàn)代信息工程、現(xiàn)代國(guó)防建設(shè)上的重大需求。

近年來(lái)，國(guó)家和各地方政府陸續(xù)推出政策和產(chǎn)業(yè)扶持基金發(fā)展第三代半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)業(yè)：地方政策在2016年大量出臺(tái)，福建、廣東、江蘇、北京、青海等27個(gè)地區(qū)出臺(tái)第三代半導(dǎo)體相關(guān)政策（不包括LED）近30條。

考慮到當(dāng)前國(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)投資基本上進(jìn)入了國(guó)家主導(dǎo)的投資階段，2014年大基金的成立開(kāi)啟了一輪國(guó)內(nèi)投資半導(dǎo)體的熱潮，無(wú)論是政府資金，還是產(chǎn)業(yè)資本都紛紛進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。隨著碳化硅和氮化鎵材料研發(fā)取得進(jìn)展，我們預(yù)期，第二期大基金的布局焦點(diǎn)應(yīng)該會(huì)向上游的原材料和設(shè)備傾斜更多的資源，尤其是涉及第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵和碳化硅這樣的上游材料公司有機(jī)會(huì)受到資金青睞。

第三代半導(dǎo)體是何方神圣？

相比第1代與第2代半導(dǎo)體材料,第3代半導(dǎo)體材料是具有較大禁帶寬度（禁帶寬度>2.2eV）的半導(dǎo)體材料。第3代半導(dǎo)體主要包括碳化硅（SiC）、氮化鋁（AlN）、氮化鎵（GaN）、金剛石、氧化鋅（ZnO），其中，發(fā)展較為成熟的是SiC和GaN。第3代半導(dǎo)體材料在導(dǎo)熱率、抗輻射能力、擊穿電場(chǎng)、電子飽和速率等方面優(yōu)點(diǎn)突出，因此更使用于高溫、高頻、抗輻射的場(chǎng)合。

半導(dǎo)體材料是制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。1958年，世界上第一塊集成電路在美國(guó)誕生，由此開(kāi)啟了芯片時(shí)代。1965年，中國(guó)獨(dú)立研制出第一塊集成電路。

1958年以后，半導(dǎo)體材料逐漸走上了升級(jí)之路。第一代半導(dǎo)體材料是以硅和鍺為代表的元素半導(dǎo)體，用于電子器件。第二代半導(dǎo)體材料是以砷化鎵、磷化銦為代表的化合物半導(dǎo)體材料。與第一代半導(dǎo)體材料相比，它能夠發(fā)光，但只是紅光波長(zhǎng)以上的光。以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料，發(fā)光波長(zhǎng)幾乎涵蓋所有可見(jiàn)光，因而其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊。紅綠藍(lán)三基色能調(diào)配出任何一種顏色。第三代半導(dǎo)體材料發(fā)出的藍(lán)光是調(diào)出白光LED的基礎(chǔ)。

第三代半導(dǎo)體材料現(xiàn)在和將來(lái)能改變生活的方面主要集中在三大領(lǐng)域。

一是發(fā)光。它能做成LED（發(fā)光二極管）。用于顯示如手機(jī)屏、電視屏、大型顯示屏等，亦可用于照明，如電燈、路燈、汽車前燈等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)LED行業(yè)發(fā)展非常迅速，占據(jù)了大部分的顯示市場(chǎng)；同時(shí)，很多照明領(lǐng)域都在逐步被LED照明所替代。盛況認(rèn)為，我國(guó)在這一領(lǐng)域的發(fā)展是很成功的。

二是通訊。人們對(duì)它的預(yù)期前景是5G，即第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。其中基站用的射頻功放管器件，僅華為和中興通訊每年的采購(gòu)量近億只，采購(gòu)金額超過(guò)100億元。目前基本依賴進(jìn)口。實(shí)現(xiàn)以GaN（氮化鎵）射頻功放管器件為代表的核心器件國(guó)產(chǎn)化，將對(duì)我國(guó)在未來(lái)5G通信競(jìng)爭(zhēng)中打破受制于人的局面具有重要的意義。

三是電能變換。電能變換的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，所有用電的裝備、設(shè)施，幾乎都要用電能變換的半導(dǎo)體器件對(duì)電能進(jìn)行控制、管理和變換。

電能變換的用途量大面廣。盛況向記者舉例，軌道交通、新能源汽車、光伏和風(fēng)電的并網(wǎng)，以及消費(fèi)類電子中的變頻空調(diào)、冰箱、手機(jī)充電器、電腦電源等都需要半導(dǎo)體器件。如果第三代半導(dǎo)體材料能替代現(xiàn)在第二代半導(dǎo)體材料，能使半導(dǎo)體器件的功率更大、效率更高、體積更小。

美國(guó)工程院院士Fred C.LEE曾表示數(shù)據(jù)中心未來(lái)將帶來(lái)大量的能耗，如果采用第三代半導(dǎo)體的電力電子器件并從結(jié)構(gòu)上整體優(yōu)化，能將效率由原來(lái)的73%提升到87%。相當(dāng)于節(jié)省3.5個(gè)三峽的發(fā)電量。

碳化硅和氮化鎵都可以做電力電子器件?；谶@兩種材料的器件發(fā)展各有各的難度。碳化硅器件的研究時(shí)間更長(zhǎng)，技術(shù)更成熟，在產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化比氮化鎵器件走得遠(yuǎn)一些。目前一些先進(jìn)的汽車廠商已經(jīng)在開(kāi)始用碳化硅器件，比如特斯拉。盡管手機(jī)充電器尚未大量使用氮化鎵器件。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，手機(jī)充電器可能會(huì)具備快充和高功率密度兩大特點(diǎn)。在這個(gè)領(lǐng)域，氮化鎵的用途可能會(huì)更明顯。

第三代半導(dǎo)體性能及應(yīng)用

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今經(jīng)歷了三個(gè)階段，第一代半導(dǎo)體材料以硅（Si）為代表。第二代半導(dǎo)體材料砷化鎵（GaAs）也已經(jīng)廣泛應(yīng)用。而以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）等寬禁帶為代表的第三代半導(dǎo)體材料，相較前兩代產(chǎn)品，性能優(yōu)勢(shì)顯著并受到業(yè)內(nèi)的廣泛好評(píng)。第三代半導(dǎo)體具有高擊穿電場(chǎng)、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)，因此也被業(yè)內(nèi)譽(yù)為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動(dòng)機(jī)”。發(fā)展較好的寬禁帶半導(dǎo)體主要是SiC和GaN，其中SiC的發(fā)展更早一些。SiC、GaN、Si以及GaAs的一些參數(shù)如下圖所示：

可見(jiàn)，SiC和GaN的禁帶寬度遠(yuǎn)大于Si和GaAs，相應(yīng)的本征載流子濃度小于Si和GaAs，寬禁帶半導(dǎo)體的最高工作溫度要高于第一、第二代半導(dǎo)體材料。擊穿場(chǎng)強(qiáng)和飽和熱導(dǎo)率也遠(yuǎn)大于Si和GaAs。以SiC為例，其具有寬的禁帶寬度、高的擊穿電場(chǎng)、高的熱導(dǎo)率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，非常適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

產(chǎn)品被市場(chǎng)所接受，價(jià)格和性能是最主要的考慮因素。SiC的性能毋庸置疑，但成本還是比硅產(chǎn)品高，在相同特性、相同電壓、相同使用條件的情況下，大約會(huì)比硅產(chǎn)品貴5~6倍，因此，現(xiàn)階段只能從要求高性能、且對(duì)價(jià)格不是很敏感的應(yīng)用開(kāi)始來(lái)取代硅產(chǎn)品，例如汽車、汽車充電樁、太陽(yáng)能等。要取代硅制產(chǎn)品，SiC還是有很大的發(fā)展空間的。當(dāng)SiC的成本能降到硅的2~3倍的時(shí)候，應(yīng)該會(huì)形成很大的市場(chǎng)規(guī)模。到2020年，EV汽車大規(guī)模推出的時(shí)候，SiC市場(chǎng)會(huì)有爆發(fā)式的增長(zhǎng)。

在應(yīng)用方面，根據(jù)第三代半導(dǎo)體的發(fā)展情況，其主要應(yīng)用為半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器和探測(cè)器、以及其他4個(gè)領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)成熟度各不相同，如下圖所示。在前沿研究領(lǐng)域，寬禁帶半導(dǎo)體還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。

下面，我們重點(diǎn)關(guān)注一下其在功率管理方面的應(yīng)用情況。許多公司開(kāi)始研發(fā)SiC MOSFET，領(lǐng)先企業(yè)包括包括英飛凌（Infineon）、科銳（Cree）旗下的Wolfspeed、羅姆（ROHM）、意法半導(dǎo)體（STMicroelctronics）、三菱和通用電氣等。與此相反，進(jìn)入GaN市場(chǎng)中的玩家較少，起步較晚。

SiC和GaN商業(yè)化功率器件發(fā)展歷程

SiC的電力電子器件市場(chǎng)在2016年正式形成，市場(chǎng)規(guī)模約在2.1億~2.4億美金之間。而據(jù)Yole最新預(yù)測(cè)，SiC市場(chǎng)規(guī)模在2021年將上漲到5.5億美金，這期間的復(fù)合年均增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)將達(dá)19%。目前，全球有超過(guò)30家公司在電力電子領(lǐng)域擁有SiC、GaN相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、制造和銷售能力。2016年SiC無(wú)論在襯底材料、器件還是在應(yīng)用方面，均有很大進(jìn)展，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出耐壓水平超過(guò)20KV的IGBT樣片。

消耗大量二極管的功率因素校正（PFC）電源市場(chǎng)，仍將是SiC功率半導(dǎo)體最主要的應(yīng)用。緊隨PFC電源市場(chǎng)之后的應(yīng)用領(lǐng)域是光伏逆變器。目前，許多光伏逆變器制造商將SiC二極管和MOSFET應(yīng)用于他們的產(chǎn)品之中。SiC二極管的應(yīng)用能夠?yàn)楣夥孀兤魈峁┲T多性能優(yōu)勢(shì)，包括提高效率、降低尺寸和重量等。此外，SiC二極管能在一定功率范圍內(nèi)降低系統(tǒng)成本。

SiC器件市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)

各國(guó)的SiC戰(zhàn)略

第三代半導(dǎo)體材料引發(fā)全球矚目，并成為半導(dǎo)體技術(shù)研究前沿和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)，美、日、歐等國(guó)都在積極進(jìn)行戰(zhàn)略部署。作為電力電子器件，SiC器件在低壓領(lǐng)域如高端的白色家電、電動(dòng)汽車等由于成本因素，逐漸失去了競(jìng)爭(zhēng)力。但在高壓領(lǐng)域，如高速列車、風(fēng)力發(fā)電以及智能電網(wǎng)等，SiC具有不可替代性的優(yōu)勢(shì)。

SiC材料與電力電子器件的發(fā)展

美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家為了搶占第三代半導(dǎo)體技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，通過(guò)國(guó)家級(jí)創(chuàng)新中心、協(xié)同創(chuàng)新中心、聯(lián)合研發(fā)等形式，將企業(yè)、高校、研究機(jī)構(gòu)及相關(guān)政府部門等有機(jī)地聯(lián)合在一起，實(shí)現(xiàn)第三代半導(dǎo)體技術(shù)的加速進(jìn)步，引領(lǐng)、加速并搶占全球第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)。

例如，美國(guó)國(guó)家宇航局（NASA）、國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃署（DARPA）等機(jī)構(gòu)通過(guò)研發(fā)資助、購(gòu)買訂單等方式，開(kāi)展SiC、GaN研發(fā)、生產(chǎn)與器件研制；韓國(guó)方面，在政府相關(guān)機(jī)構(gòu)主導(dǎo)下，重點(diǎn)圍繞高純SiC粉末制備、高純SiC多晶陶瓷、高質(zhì)量SiC單晶生長(zhǎng)、高質(zhì)量SiC外延材料生長(zhǎng)這4個(gè)方面，開(kāi)展研發(fā)項(xiàng)目。在功率器件方面，韓國(guó)還啟動(dòng)了功率電子的國(guó)家項(xiàng)目，重點(diǎn)圍繞Si基GaN和SiC。

美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家2016年第三代半導(dǎo)體材料相關(guān)部分政策措施如下圖所示：

資料來(lái)源：CASA整理

中國(guó)現(xiàn)狀

我國(guó)開(kāi)展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，水平較低，阻礙國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體研究進(jìn)展的重要因素是原始創(chuàng)新問(wèn)題。國(guó)內(nèi)新材料領(lǐng)域的科研院所和相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)大都急功近利，難以容忍長(zhǎng)期“只投入，不產(chǎn)出”的現(xiàn)狀。因此，以第三代半導(dǎo)體材料為代表的新材料原始創(chuàng)新舉步維艱。

但與此同時(shí)政府也在積極推進(jìn)，國(guó)家和各地方政府陸續(xù)推出政策和產(chǎn)業(yè)扶持基金發(fā)展第三代半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)業(yè)：地方政策在2016年大量出臺(tái)，福建、廣東、江蘇、北京、青海等27個(gè)地區(qū)出臺(tái)第三代半導(dǎo)體相關(guān)政策（不包括LED）近30條。一方面多地均將第三代半導(dǎo)體寫入“十三五”相關(guān)規(guī)劃，另一方面不少地方政府有針對(duì)性對(duì)當(dāng)?shù)鼐哂幸欢▋?yōu)勢(shì)的SiC和GaN材料企業(yè)進(jìn)行扶持。福建省更是計(jì)劃投入500億，成立專門的安芯基金來(lái)建設(shè)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)集群。

我國(guó)多家半導(dǎo)體廠商也在積極布局SiC和GaN器件，華潤(rùn)華晶微電子和華虹宏力就是其中的代表企業(yè)。曾經(jīng)距離收購(gòu)仙童半導(dǎo)體那么近，可以看出華潤(rùn)微電子在布局先進(jìn)功率器件方面的決心和力度。華潤(rùn)華晶微電子是華潤(rùn)微電子旗下從事半導(dǎo)體分立器件的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)，在國(guó)內(nèi)，其功率器件的規(guī)模和品牌具有一定優(yōu)勢(shì)。華虹宏力則是業(yè)內(nèi)首個(gè)擁有深溝槽超級(jí)結(jié)（Deep Trench Super Junction，DT-SJ）及場(chǎng)截止型IGBT（Field Stop，F(xiàn)S IGBT）工藝平臺(tái)的200mm代工廠。中國(guó)企業(yè)已經(jīng)具備一定規(guī)模。