第三代半導(dǎo)體是支撐國(guó)防軍備、5G移動(dòng)通信、能源互聯(lián)網(wǎng)、新能源汽車、軌道交通等產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)的重點(diǎn)核心材料和電子元器件，因其在國(guó)防安全、智能制造、產(chǎn)業(yè)升級(jí)、節(jié)能減排等國(guó)家重大戰(zhàn)略需求方面的重要作用，正成為世界各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)制高點(diǎn)。我國(guó)的“中國(guó)制造2025”計(jì)劃中明確提出要大力發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。未來(lái)5-10年是全球第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展期，也是我國(guó)能否實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)自主可控的關(guān)鍵期。

第三代半導(dǎo)體材料主要包括SiC、GaN、金剛石等，因其禁帶寬度（Eg）大于或等于2.3電子伏特（eV），又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料。與第一代、第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求。

圖1:  6英寸(152.4mm)的碳化硅外延片

伴隨著電動(dòng)車與再生能源的急速發(fā)展，在眾多第三代半導(dǎo)體材料當(dāng)中碳化硅(SiC)聚焦于中功率、高功率的碳化硅（SiC），攜帶著高能效低功耗的特技，乘著節(jié)能減碳的“高速列車”一躍成為高功率電子的當(dāng)紅炸子雞。我國(guó)及美、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)都把發(fā)展SiC 半導(dǎo)體技術(shù)列入國(guó)家戰(zhàn)略，投入巨資支持發(fā)展。

一、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程

半導(dǎo)體材料經(jīng)過幾十年的發(fā)展，第一代硅材料半導(dǎo)體已經(jīng)接近完美晶體，對(duì)于硅材料的研究也非常透徹。基于硅材料上器件的設(shè)計(jì)和開發(fā)也經(jīng)過了許多代的結(jié)構(gòu)和工藝優(yōu)化和更新，正在逐漸接近硅材料的極限，基于硅材料的器件性能提高的潛力愈來(lái)愈小。以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體具備優(yōu)異的材料物理特性，為進(jìn)一步提升電力電子器件的性能提供了更大的空間。三代半導(dǎo)體材料發(fā)展歷程見下圖。

圖2:  半導(dǎo)體材料發(fā)展 “時(shí)間簡(jiǎn)史”

第三代半導(dǎo)體雖然優(yōu)性能更加強(qiáng)悍，但它不是一代和一代半導(dǎo)體的“掘墓人”，其只是在某些領(lǐng)域擁有比硅器件更有益的性能，做到了老一代半導(dǎo)體做不到的事情，挑戰(zhàn)了科技的極限，拉動(dòng)科技的進(jìn)步。第一、第二代半導(dǎo)體材料依然是未被淘汰，也并非必須淘汰的。就材料的應(yīng)用而言，適合的才是最好的，殺雞焉用牛刀，低配也有低配的需求（從上圖我們可以看到，這三代產(chǎn)品都有自己的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)），老一代成品技術(shù)成熟、制備成本低依然占據(jù)著大領(lǐng)域。未來(lái)，SiC、GaN 和硅將在不同的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮各自的作用、占據(jù)各自的市場(chǎng)份額。

三、碳化硅半導(dǎo)體材料的主要用途

碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，也是目前晶體生產(chǎn)技術(shù)和器件制造水平最成熟，應(yīng)用最廣泛的寬禁帶半導(dǎo)體材料之一，目前在已經(jīng)形成了全球的材料、器件和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈。是高溫、高頻、抗輻射、大功率應(yīng)用場(chǎng)合下極為理想的半導(dǎo)體材料。由于碳化硅功率器件可顯著降低電子設(shè)備的能耗，因此碳化硅器件也被譽(yù)為帶動(dòng)“新能源革命”的“綠色能源器件”。

盡管目前碳化硅半導(dǎo)體造價(jià)過高限制了其應(yīng)用領(lǐng)域，但伴隨著新能源革命及物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)發(fā)展，寬禁帶化合物半導(dǎo)體未來(lái)幾年前景必然是向好的。據(jù)業(yè)內(nèi)分析數(shù)據(jù)顯示“憑借著優(yōu)異的性能特點(diǎn)，寬禁帶化合物半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將在2020年成長(zhǎng)至440億美元”，而碳化硅半導(dǎo)體作為寬禁帶化合物半導(dǎo)體重要的一員，其未來(lái)將“錢景無(wú)限”，下文將對(duì)碳化硅的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用領(lǐng)域做介紹。

1、半導(dǎo)體照明領(lǐng)域

西安交大云峰教授如是說(shuō)“假如把我國(guó)1/3的照明替換成LED半導(dǎo)體照明，那么每年可以節(jié)約一個(gè)三峽工程的發(fā)電量。”碳化硅作為L(zhǎng)ED器件襯底是其目前應(yīng)用最為成熟的領(lǐng)域，市場(chǎng)上90%的SiC晶片被用于制造高亮度LED襯底材料。采用碳化硅作為襯底的LED期間亮度更高、能耗更低壽命更長(zhǎng)、單位芯片面積更小，在大功率LED方面具有非常大的優(yōu)勢(shì)。

圖3：2008年北京奧運(yùn)會(huì)期間建造的水立方場(chǎng)館照明即采用了496000顆碳化硅基大功率LED

美國(guó)科銳公司(Cree)依靠其掌握的SiC晶體制備和LED外延等關(guān)鍵技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)了從SiC襯底到LED外延、芯片封裝、燈具設(shè)計(jì)的完整照明器件產(chǎn)業(yè)鏈，幾乎壟斷了整個(gè)SiC襯底LED照明產(chǎn)業(yè)。在2013年，Cree公司報(bào)道的LED發(fā)光效率便已經(jīng)超過276lm/W。Cree的LED照明產(chǎn)業(yè)的年產(chǎn)值達(dá)到了12億美元，市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)迅速。由此可見，SiC襯底LED在照明產(chǎn)業(yè)中占據(jù)的市場(chǎng)規(guī)模不容小覷，表現(xiàn)出很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。

2、各類電機(jī)系統(tǒng)

我國(guó)目前風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)系統(tǒng)總裝機(jī)容量約1.6億千瓦，年耗電近5000億千瓦時(shí)，如果改變調(diào)節(jié)方式，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能10%—15%，約為500億—700億千瓦時(shí)，如此驚人的數(shù)字也都?xì)w功于半導(dǎo)體碳化硅功率器件。在5千伏以上的高壓應(yīng)用領(lǐng)域，半導(dǎo)體碳化硅功率器件在開關(guān)損耗與浪涌電壓上均有應(yīng)用，最大可減少 92%的開關(guān)損耗，半導(dǎo)體碳化硅功率器件功耗降低效果明顯，設(shè)備的發(fā)熱量大幅減少，使得設(shè)備的冷卻機(jī)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，設(shè)備體積小型化，大大減少散熱用金屬材料的消耗。

備注：浪涌電壓，浪涌也叫突波，就是超出正常工作電壓的瞬間過電壓，一般指電網(wǎng)中出現(xiàn)的短時(shí)間象“浪”一樣的高電壓引起的大電流。從本質(zhì)上講，浪涌就是發(fā)生在僅僅百萬(wàn)上之一秒內(nèi)的一種劇烈脈沖。浪涌電壓的產(chǎn)生原因有兩個(gè)，一個(gè)是雷電，另一個(gè)是電網(wǎng)上的大型負(fù)荷接通或斷開(包括補(bǔ)償電容的投切)時(shí)產(chǎn)生的。

3、微波器件領(lǐng)域

微波器件領(lǐng)域是整個(gè)碳化硅器件應(yīng)用的一個(gè)細(xì)分市場(chǎng)。微波通訊在軍用領(lǐng)域的一個(gè)典型應(yīng)用是相陣控雷達(dá)，像美國(guó)的F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)，已經(jīng)裝備了碳化硅襯底外延氮化鎵HEMT(高電子遷移率晶體管)；還有地基導(dǎo)彈系統(tǒng)，像某德系統(tǒng)中的核心器件就是碳化硅襯底外延氮化鎵的HEMT，美軍已基本全面裝備使用，而我國(guó)仍未完全立項(xiàng)，不過相信出于戰(zhàn)略上的考慮也會(huì)加快推進(jìn)實(shí)行。軍事應(yīng)用是由于戰(zhàn)略的需求，但該領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模應(yīng)該不會(huì)太大。

圖4 某德系統(tǒng)配備的雷達(dá)

射頻微波領(lǐng)域?qū)?yīng)于民用就是通訊領(lǐng)域，也是整個(gè)碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)應(yīng)用增長(zhǎng)的關(guān)鍵領(lǐng)域。2018年6月，首個(gè)完整版全球統(tǒng)一5G標(biāo)準(zhǔn)正式出爐，未來(lái)5G將大量采用相控陣天線技術(shù)，相信5G通訊的應(yīng)用，也會(huì)大大推動(dòng)碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

4、新能源汽車及不間斷電源等電力電子領(lǐng)域

新能源汽車產(chǎn)業(yè)要求逆變器(即馬達(dá)驅(qū)動(dòng))的半導(dǎo)體功率模塊，在處理高強(qiáng)度電流時(shí)，具有遠(yuǎn)超出普通工業(yè)用途逆變器的可靠性；在大電流功率模塊中，具有更好的散熱性，高效、快速、耐高溫、可靠性高的半導(dǎo)體碳化硅模塊完全符合新能源汽車要求。半導(dǎo)體碳化硅功率模塊小型化的特點(diǎn)可大幅削減新能源汽車的電力損失，使其在200℃高溫下仍能正常工作。更輕、更小的設(shè)備重量減少，減少汽車自身重量帶來(lái)的能耗。

目前，德國(guó)英飛凌公司針對(duì)純電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力車，研制出的半導(dǎo)體碳化硅功率模塊，將功率范圍控制在20-80kw；采用溝槽柵和場(chǎng)截止層等國(guó)際最先進(jìn)技術(shù)，降低飽和電壓,維持開關(guān)速度，減小芯片厚度，增大功率密度。另外,通過改進(jìn)模塊內(nèi)部的焊線工藝，將結(jié)溫提高到150℃或175℃，增加了功率循環(huán)次數(shù)，提高了可靠性，大大降低了能耗。

半導(dǎo)體碳化硅材料除了在新能源汽車節(jié)能中占有重要地位外,在高鐵、太陽(yáng)能光伏、風(fēng)能、電力輸送、UPS不間斷電源等電力電子領(lǐng)域均起到了卓越的節(jié)能環(huán)保作用。

5、讓電子設(shè)備體積更小

將筆記本電腦適配器的體積減少80%，將一個(gè)變電站的體積縮小至一個(gè)手提箱的大小。這也是碳化硅半導(dǎo)體令人期待的一個(gè)地方。

2014年，美國(guó)總統(tǒng)某巴馬親自主導(dǎo)成立了美國(guó)的碳化硅產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，他在成立大會(huì)講話中的一段話引人注目，“同與硅為基礎(chǔ)的技術(shù)相比，以碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體能夠在在更高溫度和更高電壓及頻率的環(huán)境下正常工作，同時(shí)消耗更少的電力、具有更強(qiáng)的持久性和可靠性，并最終前所未有地發(fā)揮其性能。這些技術(shù)可以減少消費(fèi)類電子產(chǎn)品的體積，如將筆記本電腦適配器的體積減少80%;也可以將一個(gè)變電站的體積縮小至一個(gè)手提箱的大小規(guī)格。

參考資料

1、碳化硅半導(dǎo)體材料應(yīng)用及發(fā)展前景，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，賀東葛，王家鵬，劉國(guó)敬等著。

2、碳化硅半導(dǎo)體材料研究進(jìn)展及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議，李麗婷，廈門市科學(xué)技術(shù)信息研究院

作者：粉體圈小白