近年來，以碳化矽和氮化镓為代表的第三代寬禁帶功率半導體迅猛發展，已成為中國功率電子行業的研發和産業化應用的重點。

　　抓住第三代寬禁帶功率半導體的戰略機遇期，實現半導體材料、器件、封裝模塊和系統開發的自主可控，對保障工業創新體系的可持續發展至關重要。

　　本文在分析第三代寬禁帶功率半導體重要戰略意義的基礎上，綜述了其材料、器件研發和産業的發展現狀，闡述了碳化矽及氮化镓器件在當前環境下的應用成果，剖析了第三代半導體行業存在的關鍵問題。

　　第三代半導體指的是SiC、GaN、ZnO、金剛石（C）、AlN等具有寬禁帶（Eg＞2.3 eV）特性的新興半導體材料，具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優點。

　　Si材料與SiC、GaN材料的性能對比

　　第三代寬禁帶功率半導體器件的優勢主要表現在：

　　比導通電阻是矽器件（相同等級下）的近1/1000，可大幅降低器件的導通損耗；

　　開關頻率是矽器件的10餘倍，可以大大減小電路中儲能元件的體積，從而成倍地減小設備體積，減少貴重金屬等消耗；

　　理論上可以在600℃以上的高溫環境下工作，并有抗輻射的優勢，可以大大提高系統的可靠性，在能源轉換領域具有巨大的技術優勢和應用價值。

　　目前，第三代寬禁帶功率半導體器件已經在智能電網、電動汽車、軌道交通、新能源并網、開關電源、工業電機以及家用電器等領域得到應用，并展現出良好的發展前景。

　　國際領先企業已經開始市場布局，全球新一輪的産業升級已經開始，正在逐漸進入第三代半導體時代。

　　第三代寬禁帶功率半導體的發展現狀

　　近幾年，随着材料科學技術的快速發展，SiC和GaN等寬禁帶半導體材料的關鍵技術問題得到了根本性質的突破。

　　在5G和新能源汽車等新市場需求的驅動下，第三代寬禁帶功率半導體有望迎來加速發展。

　　SiC單晶材料的發展現狀 目前生長SiC單晶最成熟的方法是物理氣相輸運（PVT）法，通過控制PVT的溫場、氣流等工藝參數可以生長特定的4H-SiC晶型。

　　SiC單晶材料主要有導通型襯底和半絕緣襯底兩種，首要解決的問題是發展高質量、大尺寸的單晶材料，重點發展方向為持續增大晶圓尺寸、降低缺陷密度。

　　關于SiC襯底技術，國内主要SiC單晶襯底材料企業和研發機構已經具備了成熟的4英寸零微管SiC單晶産品能力，并已經研發出了6英寸單晶樣品，但是在晶體材料質量和産業化能力方面距離國際先進水平存在一定差距。

　　SiC功率器件的發展現狀 SiC功率半導體器件包括二極管和晶體管，由于晶體管的技術難度大，産業化進度落後于二極管。

　　目前，SiC IGBT 和GTO等器件由于技術難度更大，仍處于研發階段，距離産業化有較大的差距。

　　SiC JBS二極管和MOSFET晶體管由于其性能優越，成為現階段應用最廣泛、産業化成熟度最高的SiC功率器件。

　　随着國際上SiC功率器件技術的進步和制造工藝從4英寸升級到6英寸，器件産業化水平不斷提高，SiC功率器件的成本迅速下降，全球SiC功率器件市場的快速發展，在SiC二極管、SiC MOSFET等器件均有一些代表性的産業化公司引領行業發展。

　　全球SiC功率器件市場的預測分析

　　在研發領域，國際上已經開發了10 kV、20 kV以上的器件樣品，但短期内無法實現産業化；1200 V SiC MOSFET芯片單片電流可達194 A，全SiC功率模塊最大電流容量達到1200 A，最高工作溫度達到250℃，并采用芯片雙面焊接、新型互聯和緊湊型封裝等技術來提高模塊性能。

　　國内外SiC産業競争格局示意

　　中國在“十二五”初期掀起了研發第三代功率半導體器件領域的熱潮，在“十三五”期間則掀起了産業化的浪潮，并通過設置國家重點研發專項等來從下遊應用端拉動SiC功率器件的研發和産業化。

　　1200 V單片電流90 A（高溫60 A）SiC MOSFET已有産品銷售，但迄今自主芯片尚無新能源汽車裝車（包括樣車）應用案例。

　　GaN功率器件的發展現狀 在民用領域，有線電視運營商最先開始大規模地開發和使用GaN功率器件，以在增加帶寬的同時，通過提高能源效率降低運營成本。

　　目前SiC基GaN和矽基GaN之間的性能差距已經顯著縮小，經濟高效的矽基GaN功率晶體管已與SiC基GaN具有同樣的電源效率和熱特性。

　　在無線基站市場，GaN功率放大器在4G領域取得了重大進展，GaN提供的顯著技術優勢使之将用于服務于下一代基站，尤其是1.8 GHz以上的手機頻段。

　　在5G領域中，基于GaN的功率放大器更是取得了蓬勃的發展，目前中國基站廠商在中國5G系統的初期部署中均采用了基于GaN的功率放大器器件，其他基站廠商也在跟進。

　　目前全球有超過30家企業從事GaN半導體的研發，其中實現商業化量産的企業僅有10家左右，産業以IDM企業為主，但設計與制造環節已經開始出現分工。

　　GaN器件産業鍊各環節主要企業示意

　　中國的GaN發展雖然起步晚，但在政策不斷支持下GaN相關産業也在迅速發展。

　　中國企業目前可以小批量生産2英寸襯底，具備4英寸襯底生産的能力，開發出了6英寸樣品，并在建多個與第三代半導體相關的研發中試平台。

　　第三代功率半導體應用成果

　　SiC器件應用成果 SiC功率器件在電力轉換需求頻繁、對電力轉換組件有體積或質量要求、相對高溫的使用環境上有得天獨厚的優勢。

　　在新能源汽車領域，采用SiC功率器件可以提升電池的能量利用率，同時可減少電力轉化模塊的體積和質量、節省散熱組件，從而實現整車輕量化，綜合來看，使新能源汽車在同樣的電池容量下實現了更高的續航裡程。

　　另外，在高頻次使用的直流充電樁上更适合應用SiC功率器件，以降低電能損耗、節省充電樁體積、提高充電速率、延長設備使用壽命。

　　特斯拉中國Model 3與Model Y電動車、比亞迪“漢”電動車和精進電動出口德國大衆Traton商用電動車的SiC控制器已有量産和樣車裝車應用。

　　預計2022年中國将有50萬輛裝有SiC控制器的新能源汽車，其中8-10萬輛是自主品牌汽車。

　　電動化車輛的SiC MOSFET控制器

　　在綠色能源領域，光伏發電并入電網需要将直流電逆變成交流電，這個過程需要功率器件參與，采用SiC功率器件可直接提升電能的轉化效率，增加其并網發電收入。

　　風力發電的電能轉換過程需要經過整流、逆變兩步，采用SiC功率器件能更好地提升風能的利用效率。

　　同時，SiC功率器件更耐受極端環境，更适合光伏、風力發電領域。

　　在軌道交通領域中，已有多家公司和科研院所都關注SiC器件在牽引變流器系統中的應用研究，一些機構已經将産品市場化并在軌道列車上安裝運行。

　　得益于已有的解決方案，與傳統系統相比，鐵路車輛系統的總能耗降低了約30%。

　　與具有IGBT功率模塊的傳統逆變器系統相比，尺寸和質量減小約65%，與具有SiC二極管的現有混合逆變器系統相比減小約30%。

　　三菱電機公司1500 V直流懸鍊線牽引逆變器系統全SiC變流器與傳統變流器對比

　　在大型服務器、數據中心中，因為SiC功率器件在電能轉換上的高效率、耐高溫、使用壽命長的特性，在IT應用中能節省大量能耗、替換維護成本。

　　此外，在家電、軍工、航空航天、工業控制、智能電網等諸多領域SiC功率器件也有初步使用或研發跟進，總體上市場對高性能的SiC功率器件保持持續的需求增長狀态。

　　GaN器件的應用成果 GaN功率器件具有禁帶寬度大、熱導率高、耐高溫、抗輻射、耐酸堿、高強度和高硬度等特性，且制造成本得到控制，目前已經在新能源汽車、半導體照明、新一代移動通信和消費電子領域中得到廣泛應用。

　　由GaN制成的充電器可以做到更高的功率密度，随着生産成本迅速下降，GaN快充有望成為消費電子領域下一個殺手級應用。

　　在射頻微波領域，GaN也有非常大的優勢。

　　采用GaN功率器件能夠有效地改善發射天線的設計，減少發射組件的數目和放大器的級數等，有效降低雷達發射系統的成本。目前，GaN已經開始取代GaAs作為新型雷達和幹擾機的T/R模塊電子器件材料。

　　在5G領域，GaN功率器件已成為5G基站中的功率放大器和其他射頻器件的重要支撐點。

　　GaN具有較寬的禁帶寬度及利用藍寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作，GaInN超高度藍光、綠光LED技術已經實現商品化，藍光LED的開發則競争非常激烈。

　　在探測器方面，研究還處于起步階段，GaN探測器将在導彈預警、衛星秘密通信、各種環境監測、化學生物探測等領域有重要應用，目前已研制出GaN紫外探測器。

　　在激光器方面，GaN基激光器可以實現藍、綠和紫外激光器的制造：紫色激光器可用于制造大容量光盤，還可用于醫療消毒、熒光激勵光源等應用；藍色激光器可以和現有的紅色激光器、倍頻全固化綠色激光器一起，實現全真彩顯示，使激光電視實現廣泛應用。

　　第三代半導體的發展趨勢及關鍵問題

　　SiC和GaN等寬禁帶電力電子器件代表着電力電子器件領域發展方向，随着時間的發展，寬禁帶半導體器件制備中材料和工藝上的問題必将得到逐步解決。

　　SiC電力電子器件将主要用于600 V以上的高壓工業應用領域；GaN電力電子器件将主要用于600 V以下的消費電子、計算機/服務器電源應用領域。

　　寬禁帶功率半導體産業鍊主要包含單晶材料、外延材料、器件、模塊和應用這幾個環節。

　　以SiC為例，在寬禁帶半導體産業上還存在以下問題：

　　1

　　大尺寸SiC單晶襯底制備技術仍不成熟。

　　單晶襯底尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高，缺乏更高效的SiC單晶襯底加工技術，必須進一步開發大尺寸SiC晶體的切割工藝，提高加工效率。

　　襯底表面加工質量的好壞直接決定了外延材料的表面缺陷密度，大尺寸SiC襯底需要進一步開發研磨、抛光工藝參數，降低晶圓表面粗糙度。

　　未來高壓雙極型器件需要p型襯底，但目前SiC p型單晶襯底缺陷較高、電阻率較高，其基礎科學問題尚未得到突破，技術開發滞後。

　　中國SiC單晶材料領域與國際水平相比仍存在一定的差距，除了以上共性問題，在2方面存在較大風險：SiC單晶企業無法為國内已經/即将投産的6英寸芯片工藝線提供高質量的6英寸單晶襯底材料；SiC材料的檢測設備完全被國外公司所壟斷。

　　2

　　n型SiC外延生長技術有待進一步提高。

　　目前外延材料生長過程中氣流和溫度控制等技術仍不完美，在6英寸SiC單晶襯底上生長高均勻性的外延材料技術仍有一定挑戰。

　　高壓SiC功率器件是雙極型器件，對p型重摻雜外延材料提出了要求，目前尚無滿足需求的低缺陷、重摻雜的p型SiC外延材料。

　　近年來中國SiC外延材料技術正在縮小與其他國家的差距，産品已經打入國際市場。

　　但是，目前國内SiC外延材料産品以4英寸為主，尚無法批量供貨6英寸産品，且SiC外延材料加工設備全部依靠進口。

　　3

　　國際上SiC功率器件的市場優勢尚未完全形成，尚不能撼動目前矽基功率半導體器件市場上的主體地位。

　　國際SiC器件領域存在的問題主要有：

　　SiC單晶及外延技術還不夠完美，高質量的厚外延技術不成熟，制約了SiC功率器件向高壓大容量方向發展；

　　工藝技術水平還比較低，這是制約SiC功率器件發展和推廣應用的技術瓶頸；

　　在SiC基功率器件的可靠性驗證方面，其試驗标準和評價方法基本沿用Si基器件，尚未有專門針對SiC基功率器件特點的可靠性試驗标準和評價方法，導緻試驗情況與實際使用的可靠性有差距；

　　在SiC功率器件測試方面，基本沿用Si基器件的測試方法，導緻SiC器件動态特性、安全工作區等測試結果不夠準确，缺乏統一的測試評價标準。

　　中國SiC功率器件領域發展還存在研發時間短，技術儲備不足，進行SiC功率器件研發的科研單位較少，研發團隊的技術水平跟國外還有一定的差距等問題。

　　特别是：在SiC MOSFET器件方面的研發進展緩慢，隻有少數單位具備獨立的研發能力；SiC芯片主要的工藝設備基本上被國外公司所壟斷，國内大規模建立SiC工藝線所采用的關鍵設備基本需要進口；SiC器件高端檢測設備被國外所壟斷。

　　4

　　目前SiC功率模塊存在的主要問題：

　　采用多芯片并聯的SiC功率模塊在開關過程中會出現極高的電流上升率和電壓上升率，會産生較嚴重的電磁幹擾和額外損耗，無法發揮SiC器件的優良性能；

　　SiC功率模塊的封裝工藝和材料在焊接、引線、基闆、散熱等方面的創新不足，功率模塊雜散參數較大，可靠性不高；

　　SiC功率高溫封裝技術發展滞後，高溫、高功率密度封裝的工藝及材料尚不完全成熟，必須進一步研發先進燒結材料和工藝，在高溫、高可靠封裝材料及互連技術等方面實現整體突破；

　　SiC MOSFET無鍵合線燒結封裝、封裝所需焊漿（銀焊漿、銀銅焊漿、銅焊漿）、耐高溫封裝填充材料等研發滞後。

　　5

　　SiC功率器件的驅動技術尚不成熟。

　　目前SiC功率器件的驅動芯片及驅動電路仍然沿用矽器件的驅動技術，尚不能發揮SiC功率器件高溫、高頻的工作特性，使得SiC功率器件在實際使用過程中難以達到設計的極限性能。

　　6

　　SiC器件的應用模型尚不能全面反映SiC器件的物理特性。

　　目前SiC器件物理特性的數學模型主要有基于模拟等效電路的數學模型和基于物理模型的數學模型，目前在工業應用中将兩種模型結合在一起，采用半經驗短溝道模型對功率元件的物理特性進行分析，并在研究過程中不斷改進半物理模型。

　　但已有模型仍是局限于對傳統矽器件模型的改進，并未針對SiC功率器件的物理模型進行分析，缺少對SiC功率器件内部特性和輸出特性的全面性的研究，精度尚不能對SiC器件的電路拓撲仿真設計提供準确的指導。

　　這些内容将是未來中國第三代半導體産業亟待解決的問題和研究方向。

　　預計未來10年中國新能源汽車産業驅動電機控制器将是SiC MOSFET功率半導體的最大用戶。

　　在中國工業和信息化部指導下，中國汽車工程學會牽頭的2021-2035年《節能與新能源技術路線圖2.0》的電驅動技術路線圖中給出了SiC MOSFET芯片、封裝和控制器開發的技術路線圖，為産業鍊提供方向和路線上的參考。

　　結論

　　在目前的所有三代功率半導體領域中，中國在以Si基第一代半導體材料和國際一線水平差距最大；在以GaAs為代表的第二代半導體領域中國已取得突破和先進應用；在以GaN和SiC為代表第三代功率半導體方面，盡管芯片和封裝仍然落後，但中國有追趕和超車的機會。

　　因此需要在國家政策進一步指導之下，發揮行業協會和産業聯盟的橋梁和紐帶作用，對襯底材料、外延材料、芯片設計制造、封裝材料與工藝、控制器等産業鍊各環節進行整體支撐，引導産業鍊上下遊互相拉動和促進，促進資源共享、強強聯合，形成一個布局合理、結構完整的産業鍊，實現中國第三代功率半導體産業的健康、快速和可持續發展。

　　本文作者：蔡蔚，孫東陽，周銘浩，郭慶波，高晗璎

　　作者簡介：蔡蔚，哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，教授，研究方向為新能源電機和功率電子控制器及電驅動總成研究與産業化。

　　論文全文發表于《科技導報》2021年第14期，原本标題為《第三代寬禁帶功率半導體及應用發展現狀》，本文有删減，歡迎訂閱查看。

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