宽禁带半导体：一场能源转换链中的革命

以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带（第三代）半导体凭借优异的物理特性，天然适合制作高压、高频、高功率的半导体器件。可以说，宽禁带半导体能实现硅材料难以实现的功能，也能在部分与硅材料交叉的领域达到更高的性能和更低的系统性成本，被视为后摩尔时代材料创新的关键角色。

“宽禁带半导体是对硅材料的有益补充，硅做不到的高频可以通过氮化镓来做，硅做不到的高压可以通过碳化硅来做。这种补充和提升，是宽禁带半导体在后摩尔时代的主要价值。”西安电子科技大学郭辉副教授向《中国电子报》记者表示。

电力电子技术的未来

后摩尔时代不仅是集成电路技术的换挡器，也是全社会从信息化步入智能化时代的转换阶段，其中起到关键作用的人工智能、大数据、车联网等技术如何用电显得非常关键。用电需求的提升与低碳环保的需求，让更智慧、更高效的能源生产、传输、配送、储存和使用方式成为后摩尔时代的刚需。

“在整个能源转换链中，宽禁带半导体的节能潜力可为实现长期的全球节能目标作出贡献。宽禁带技术将推动电力电子器件提高效率、提高密度、缩小尺寸、减轻重量、降低总成本，因此将在数据中心、智能楼宇、个人电子设备等应用场景中为能效提升作出贡献。” 英飞凌科技电源与传感事业部大中华区应用市场总监程文涛向《中国电子报》记者指出。

高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等物理特性，让宽禁带半导体天然适合对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件要求较高的应用，被视为电力电子领域的颠覆性技术。

“我们正在经历电力电子领域的一场革命。宽禁带器件提供三个主要优势：提升效率、增加功率密度和降低系统成本。这些都是改变游戏规则的技术，而我们从未见过任何新技术在推出时就能够比旧技术更具成本效益、拥有更广泛的产品系列或拥有更多的成功案例。”安世半导体氮化镓市场及营销总监Giuliano Cassataro向《中国电子报》记者表示。

具体来看，宽禁带半导体能提供低阻抗，以降低导通损耗，实现能效的提升。

“宽禁带半导体是电力电子技术的未来，能够满足客户对阻抗和电容等参数的更高要求。电动车及充电桩对高压、高频和高能效的需求正在推动碳化硅的大幅增长。在新能源领域，SiC可应用于太阳能升压逆变器，已有不少厂家开始使用SiC MOSFET作为主驱逆变的器件替换过去的三电平控制复杂电路。”安森美半导体电源方案部市场营销经理袁光明向记者指出。

宽禁带提升能效的另一个表现，是提供了更高的功率密度。英飞凌科技工业功率控制事业部市场总监陈子颖向记者表示，在电力电子系统应用中，一直期待1200V以上耐压的高速功率器件出现，这样的器件当今非SiC MOSFET莫属。

“1200V以上的SiC高速器件，可以通过提高系统的开关频率来提高系统性能，提高系统功率密度。而硅MOSFET主要应用在650V以下的中低压功率领域。这就意味着，电动汽车直流充电桩的功率单元如果采用硅MOSFET，则需要两路串联，而采用SiC MOSFET，单路就可以实现，从而大大提高充电桩的功率单元单机功率。” 陈子颖说。

头部厂商跟进

目前，国际头部厂商正在推动宽禁带半导体实现更高规格、更低阻抗、更低热阻，并持续提升生产能力。

导通阻抗的降低，是宽禁带产品迭代的重要指标。安世半导体的氮化镓晶体管在三年的发展和销售中，导通阻抗从最初的60mΩ的650V晶体管，降到了30mΩ 的新器件，即将达到5mΩ。安森美最新推出的650V SiC MOSFET采用有源单元设计，结合薄晶圆技术，使导通阻抗的品质因数领先于同类产品。

在热阻方面，安森美新推出的1200V SiC MOSFET 2 pack模块采用了平面技术，其较大裸芯片与沟槽式MOSFET相比，降低了热阻，从而在相同的工作温度下降低了裸芯片温度。

以硅为衬底的氮化镓器件，有效提升了宽禁带半导体的性价比，安世半导体等企业已经在硅基氮化镓有所布局。

“衬底是氮化镓产业化的关键。衬底制备技术难度大，且面积大多在2到4英寸，成本高昂，所以直接在氮化镓基上生长外延是不划算的。由于氮化镓与碳化硅的晶格匹配非常好，Cree等厂商选择在碳化硅衬底上生长氮化镓外延，但是碳化硅的成本仍然偏高。后来业界将目光转向蓝宝石，可蓝宝石的散热能力难以满足高频、大功率场景的需求。硅基氮化镓是一个兼得的方向，硅成本低，散热能力较强，加速了氮化镓器件的产业化进程。”郭辉说。

晶圆尺寸的提升和切割技术的创新，也在提升宽禁带半导体的产能并降低生产成本。Cree、英飞凌、意法半导体等厂商已经具备8英寸碳化硅晶圆量产能力。2018年英飞凌收购了位于德累斯顿的初创公司Siltectra，其冷切割创新技术可高效处理晶体材料，最大程度减少材料损耗，使单片晶圆产出的芯片数量翻倍，从而有效降低SiC成本。

封装技术的优化有利于宽禁带器件的性能改进。基本半导体总经理和巍巍向记者指出，器件封装也是增加产品附加值的重要维度，如在封装上引入银烧结等关键技术，可以更好地发挥碳化硅材料的特性，改善器件的质量。陈子颖表示，低寄生电感封装可以让SiC器件更好地发挥高速性能，有效提高器件电流输出能力，从而降低单位功率密度的成本。在氮化镓领域，封装也是新技术产业化的关键因素。Giuliano Cassataro指出，习惯使用贴片封装硅器件的设计人员可以轻松切换到氮化镓，从而利用该技术提升效率、功率密度和成本优势。

在可靠性和质量保证方面，碳化硅器件有平面栅和沟槽栅两种类型。英飞凌基于沟槽栅SiC MOSFET规避了平面栅的栅极氧化层可靠性问题，实现了更高的功率密度。

目前头部厂商的宽禁带器件已经达到1700V的产品规格。袁光明表示，宽禁带会朝着更低阻抗、更低压降、更低电容的方向发展。程文涛也指出，碳化硅晶圆的冷切割技术，器件沟道结构优化，氮化镓门极结构优化，长期可靠性模型、成熟硅功率器件模块及封装技术的移植等，将继续对宽禁带半导体的长期发展产生深远的影响。

产业化如何破题

在《2021达摩院十大科技趋势》中，阿里达摩院将“以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体迎来应用大爆发”置于首位。《《2021达摩院十大科技趋势》指出，随着材料生长、器件制备等技术的不断突破，第三代半导体的性价比优势逐渐显现并正在打开应用市场。

快充和新能源汽车的普及，为宽禁带半导体在消费市场的渗透创造了绝佳机遇。北京半导体行业协会副秘书长朱晶向《中国电子报》记者指出，从器件层面看，宽禁带半导体最大的市场主要是应用SiC功率器件的新能源汽车和硅基GaN器件的消费类快充市场，目前国内涌现出大量企业布局此类产品。在碳化硅方面，车规级SiC SBD和MOSFET成为关注焦点，多家企业推出符合AEC-Q101标准的SiC量产产品。在氮化镓方面，目前国内已有数十家主流电源厂商开辟了氮化镓快充产品线，推出的氮化镓快充新品多达数百款。伴随着氮化镓快充市场的迅速爆发，氮化镓功率器件、快充协议芯片以及氮化镓控制芯片均全面实现本土化，国内氮化镓企业也伴随着快充市场的发展而迅速壮大。

一段时期以来，国内宽禁带半导体在器件开发、产能建设、制备技术、应用推广等领域取得了一定的进展，初步形成了技术和产业体系。但在产业规模和产品竞争力上，仍与国际先进水平存在差距。

朱晶指出，国内6英寸SiC衬底材料和外延依然与国际领先水平存在较大差距。尽管企业建设第三代半导体生产线的积极性很高，但仍未改变产业规模小、力量散，缺乏国际一流的碳化硅、氮化镓制造或IDM企业的局面。

郭辉也表示，国内宽禁带半导体在材料技术和器件可靠性上仍需提升。在材料生长上，Cree等企业已经实现8英寸衬底量产，而国内企业的8英寸衬底基本还停留在实验室样品阶段。在器件产品上，意法半导体的碳化硅器件已经在特斯拉搭载多年，国内企业的车规级碳化硅器件上车验证的时间较短，产量和可靠性有待增强。

要抓住市场应用带来的发展红利，实现宽禁带半导体的产业化发展，国内产业需要通过技术改进和产能提升来找到市场与技术的平衡点，基于供应链协同能力打造市场与供给之间的良性循环，并形成理智、耐心的发展基调。

和巍巍向记者指出，宽禁带半导体从开始试用向大规模应用迈进，其难点在于如何使成本与市场需求达到平衡点，行业的发展正在从解决产品长期可靠性问题向追求性价比方向迈进，如6英寸碳化硅衬底材料的大批量应用、薄衬底片切割技术的尝试与应用、设计优化带来器件功率密度的提升等，都在促进第三代半导体功率器件的降本增效，促进其规模化应用。

朱晶表示，在SiC衬底材料和外延等基础环节，加快建立适应国内最终需求的集成电路供给体系，打造基于国产芯片供应链体系的内循环生态，形成超大规模市场与供给能力提升之间的良性循环。

对于产业链各环节主体，郭辉提出了两个关键词：冲劲儿和耐心。“宽禁带是一个回报周期长的产业，无论投资、研发还是形成产能，都不是立竿见影能看到效果的，各方不能抱着挣快钱的心态入行。国内的技术团队、市场主体、投资方和政策制定方既要有冲劲，也要有耐心。大家一起咬住牙，共同努力3~5年，产业的状况就会改善很多。”郭辉说。