第三代宽禁带功率半导体迎来加速发展，我国或能赶超
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。
本文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。
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，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。
Si材料与SiC、GaN材料的性能对比
第三代宽禁带功率半导体器件的优势主要表现在：
比导通电阻是硅器件（相同等级下）的近1/1000，可大幅降低器件的导通损耗；
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，减少贵重金属等消耗；
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。
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。
第三代宽禁带功率半导体的发展现状
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有望迎来加速发展。
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，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，首要解决的问题是发展高质量、大尺寸的单晶材料，重点发展方向为持续增大晶圆尺寸、降低缺陷密度。
关于SiC衬底技术，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，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。
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，由于晶体管的技术难度大，产业化进度落后于二极管。
目前，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，成为现阶段应用最广泛、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功率器件市场的快速发展，在SiC二极管、SiC MOSFET等器件均有一些代表性的产业化公司引领行业发展。
全球SiC功率器件市场的预测分析
在研发领域，国际上已经开发了10 kV、20 kV以上的器件样品，但短期内无法实现产业化；1200 V SiC MOSFET芯片单片电流可达194 A，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。
国内外SiC产业竞争格局示意
中国在“十二五”初期掀起了研发第三代功率半导体器件领域的热潮，在“十三五”期间则掀起了产业化的浪潮，并通过设置国家重点研发专项等来从下游应用端拉动SiC功率器件的研发和产业化。
1200 V单片电流90 A（高温60 A）SiC MOSFET已有产品销售，但迄今自主芯片尚无新能源汽车装车（包括样车）应用案例。
GaN功率器件的发展现状
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。
目前SiC基GaN和硅基GaN之间的性能差距已经显著缩小，经济高效的硅基GaN功率晶体管已与SiC基GaN具有同样的电源效率和热特性。
在无线基站市场，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使之将用于服务于下一代基站，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。
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，产业以IDM企业为主，但设计与制造环节已经开始出现分工。
GaN器件产业链各环节主要企业示意
中国的GaN发展虽然起步晚，但在政策不断支持下GaN相关产业也在迅速发展。
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。
第三代功率半导体应用成果
SiC器件应用成果
SiC功率器件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。
在新能源汽车领域，采用SiC功率器件可以提升电池的能量利用率，同时可减少电力转化模块的体积和质量、节省散热组件，从而实现整车轻量化，综合来看，使新能源汽车在同样的电池容量下实现了更高的续航里程。
另外，在高频次使用的直流充电桩上更适合应用SiC功率器件，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。
特斯拉中国Model 3与Model Y电动车、比亚迪“汉”电动车和精进电动出口德国大众Traton商用电动车的SiC控制器已有量产和样车装车应用。
预计2022年中国将有50万辆装有SiC控制器的新能源汽车，其中8-10万辆是自主品牌汽车。
电动化车辆的SiC MOSFET控制器
在绿色能源领域，光伏发电并入电网需要将直流电逆变成交流电，这个过程需要功率器件参与，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。
风力发电的电能转换过程需要经过整流、逆变两步，采用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，已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，一些机构已经将产品市场化并在轨道列车上安装运行。
得益于已有的解决方案，与传统系统相比，铁路车辆系统的总能耗降低了约30%。
与具有IGBT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%。
三菱电机公司1500 V直流悬链线牵引逆变器系统全SiC变流器与传统变流器对比
在大型服务器、数据中心中，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，在IT应用中能节省大量能耗、替换维护成本。
此外，在家电、军工、航空航天、工业控制、智能电网等诸多领域SiC功率器件也有初步使用或研发跟进，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。
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，且制造成本得到控制，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。
由GaN制成的充电器可以做到更高的功率密度，随着生产成本迅速下降，GaN快充有望成为消费电子领域下一个杀手级应用。
在射频微波领域，GaN也有非常大的优势。
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模块电子器件材料。
在5G领域，GaN功率器件已成为5G基站中的功率放大器和其他射频器件的重要支撑点。
GaN具有较宽的禁带宽度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，GaInN超高度蓝光、绿光LED技术已经实现商品化，蓝光LED的开发则竞争非常激烈。
在探测器方面，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，目前已研制出GaN紫外探测器。
在激光器方面，GaN基激光器可以实现蓝、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，还可用于医疗消毒、荧光激励光源等应用；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。
第三代半导体的发展趋势及关键问题
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。
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。
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。
单晶衬底尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高，缺乏更高效的SiC单晶衬底加工技术，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，大尺寸SiC衬底需要进一步开发研磨、抛光工艺参数，降低晶圆表面粗糙度。
未来高压双极型器件需要p型衬底，但目前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。
中国SiC单晶材料领域与国际水平相比仍存在一定的差距，除了以上共性问题，在2方面存在较大风险：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；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。
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外延材料技术正在缩小与其他国家的差距，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，尚无法批量供货6英寸产品，且SiC外延材料加工设备全部依靠进口。
3
国际上SiC功率器件的市场优势尚未完全形成，尚不能撼动目前硅基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，制约了SiC功率器件向高压大容量方向发展；
工艺技术水平还比较低，这是制约SiC功率器件发展和推广应用的技术瓶颈；
在SiC基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基器件，尚未有专门针对SiC基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，基本沿用Si基器件的测试方法，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。
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；SiC芯片主要的工艺设备基本上被国外公司所垄断，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；SiC器件高端检测设备被国外所垄断。
4
目前SiC功率模块存在的主要问题：
采用多芯片并联的SiC功率模块在开关过程中会出现极高的电流上升率和电压上升率，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材料在焊接、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；
SiC功率高温封装技术发展滞后，高温、高功率密度封装的工艺及材料尚不完全成熟，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；
SiC MOSFET无键合线烧结封装、封装所需焊浆（银焊浆、银铜焊浆、铜焊浆）、耐高温封装填充材料等研发滞后。
5
SiC功率器件的驱动技术尚不成熟。
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，目前在工业应用中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，并在研究过程中不断改进半物理模型。
但已有模型仍是局限于对传统硅器件模型的改进，并未针对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，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。
预计未来10年中国新能源汽车产业驱动电机控制器将是SiC MOSFET功率半导体的最大用户。
在中国工业和信息化部指导下，中国汽车工程学会牵头的2021-2035年《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芯片、封装和控制器开发的技术路线图，为产业链提供方向和路线上的参考。
结论
在目前的所有三代功率半导体领域中，中国在以Si基第一代半导体材料和国际一线水平差距最大；在以GaAs为代表的第二代半导体领域中国已取得突破和先进应用；在以GaN和SiC为代表第三代功率半导体方面，尽管芯片和封装仍然落后，但中国有追赶和超车的机会。
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、芯片设计制造、封装材料与工艺、控制器等产业链各环节进行整体支撑，引导产业链上下游互相拉动和促进，促进资源共享、强强联合，形成一个布局合理、结构完整的产业链，实现中国第三代功率半导体产业的健康、快速和可持续发展。
本文作者：蔡蔚，孙东阳，周铭浩，郭庆波，高晗璎
作者简介：蔡蔚，哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，教授，研究方向为新能源电机和功率电子控制器及电驱动总成研究与产业化。
论文全文发表于《科技导报》2021年第14期，原本标题为《第三代宽禁带功率半导体及应用发展现状》，本文有删减，欢迎订阅查看。