?0 引言?
在“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過程中，我國的各個(gè)行業(yè)都賦予了新的活力，并新興了全新的商業(yè)模式。在“雙碳”的背景下，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)將面臨深刻的低碳轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)，能源技術(shù)將會(huì)引領(lǐng)能源產(chǎn)業(yè)變革，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展[1]。大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能等新技術(shù)的快速使用，帶動(dòng)了數(shù)字經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，使得半導(dǎo)體行業(yè)更要朝著高性能、低功耗的目標(biāo)發(fā)展，從而帶動(dòng)消費(fèi)電子、醫(yī)療電子、電力電子、國防裝備電子的更新?lián)Q代和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。
第三代半導(dǎo)體材料是以碳化硅、氮化鎵為代表，與前兩代半導(dǎo)體材料相比最大的優(yōu)勢是有著較寬的禁帶寬度，保證了其更高的可擊穿電場強(qiáng)度，適合制備耐高壓、高頻的功率器件，是電動(dòng)汽車、5G基站、衛(wèi)星、電力電子和航空航天等新興領(lǐng)域的理想材料，表1為幾種半導(dǎo)體材料的性能參數(shù)。?
碳化硅材料具有高臨界磁場、高電子飽和速度與極高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，碳化硅器件可適用于高頻高溫的工作場景，相較于硅器件可以顯著降低性能損耗。因此，以碳化硅材料制造的高耐壓、大功率電力電子器件，如MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）、IGBT（Insulated Gate BipolarTranslator，絕緣柵門極晶體管）、SBD（SchottkyBarrier Diodes，肖特基二極管）等，用于智能電網(wǎng)、新能源汽車等新興產(chǎn)業(yè)。與硅器件相比，氮化鎵材料具備高臨界磁場、高電子飽和速度與極高的電子遷移率等性能，適用于5G通信、微波射頻等領(lǐng)域的應(yīng)用。
第三代半導(dǎo)體屬于后摩爾定律概念，制程和設(shè)備要求相對(duì)不高，難點(diǎn)在于第三代半導(dǎo)體材料的制備，同時(shí)在設(shè)計(jì)上沒有優(yōu)勢。多年來第三代半導(dǎo)體材料只是在小范圍得以應(yīng)用，其制造設(shè)備昂貴、制造工藝難度高以及成本高，無法挑戰(zhàn)Si基半導(dǎo)體的統(tǒng)治地位。但隨著“雙碳”戰(zhàn)略定位，和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的需要，低功耗、高效率、高性能的電子器件必定大有可為，而低功耗、高效率、高性能正是三代半導(dǎo)體最大的特點(diǎn)（如圖1所示），相信在未來一段時(shí)間將是三代半導(dǎo)體的快速發(fā)展期。
國家“雙碳”目標(biāo)的落地依賴電力系統(tǒng)的改革。第三代半導(dǎo)體功率芯片和器件的固有特性，決定了其在實(shí)現(xiàn)光伏、風(fēng)力等新能源發(fā)電、直流特高壓輸電、新能源汽車等電動(dòng)化交通、工業(yè)電源、民用家電等領(lǐng)域的電能高效轉(zhuǎn)換優(yōu)勢。
目前電網(wǎng)在新能源發(fā)電以及輸變電環(huán)節(jié)的電力電子設(shè)備中所使用的基本都還是硅基器件，而硅基器件的參數(shù)性能已接近其材料的物理極限，因而無法擔(dān)負(fù)起支撐大規(guī)模清潔能源生產(chǎn)傳輸和消納吸收的重任。碳化硅材料制成的功率半導(dǎo)體器件，以其高壓高頻高溫高速的優(yōu)良特性，能夠大幅提升支撐清潔能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行所需各類電力電子設(shè)備的能量密度，降低成本造價(jià)，增強(qiáng)可靠性和適用性，提高電能轉(zhuǎn)換效率，降低損耗。
針對(duì)第三代功率半導(dǎo)體器件（碳化硅和氮化鎵兩大材料體系）需求，加速實(shí)現(xiàn)第三代半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控發(fā)展，包括：盡快實(shí)現(xiàn)高性能6英寸和8英寸碳化硅單晶襯底和外延材料及其功率器件的量產(chǎn)、6英寸和8英寸硅基氮化鎵外延材料及其功率器件的量產(chǎn)、高性能封裝的器件和模塊量產(chǎn)，以及單晶襯底生長、加工、芯片工藝、封裝、測試等核心檢測儀器和裝備的國產(chǎn)化。加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，從襯底、外延、芯片到封裝、控制器設(shè)計(jì)制造以及應(yīng)用等各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)全壽命周期的低碳甚至零碳戰(zhàn)略。原材料、芯片和器件自主可控是第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的基石，也是全產(chǎn)業(yè)鏈落實(shí)雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的保障。
?1 GaN進(jìn)展分析?
氮化鎵是一種直接帶隙半導(dǎo)體，大部分應(yīng)用于微波射頻、電力和光電子三大領(lǐng)域。受通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和國防事業(yè)應(yīng)用推動(dòng)，加上衛(wèi)星通信、有線寬帶和射頻功率的發(fā)展增長，根據(jù)測算氮化鎵射頻市場將從2018年的6.45億美元增長到2025年的約50億美元。現(xiàn)行電動(dòng)汽車的特點(diǎn)是耗電型電驅(qū)動(dòng)，傳統(tǒng)的12 V配電總線負(fù)擔(dān)增加，對(duì)于48 V總線系統(tǒng)，氮化鎵技術(shù)可提高效率、減小尺寸并降低生產(chǎn)成本。綜合來看，氮化鎵在汽車電子方面擁有廣大的應(yīng)用場景。氮化鎵充電器具有體積小、功率高、導(dǎo)熱性好和支持PD（Power Delivery，功率傳輸）協(xié)議等優(yōu)勢，將會(huì)在未來壟斷筆記本電腦和手機(jī)等充電器市場[2]。隨著中國廠商在65 W快速充電器中采用GaNHEMT（High Electron Mobility Transistor，高電子遷移率晶體管），功率型氮化鎵產(chǎn)品正在進(jìn)入主流消費(fèi)電子應(yīng)用。
目前，氮化鎵的制備主要是采用異質(zhì)外延制備工藝，在異質(zhì)材料上面外延生長氮化鎵層，技術(shù)可靠，能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。氮化鎵外延層主要通過金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積(MOCVD)、鹵化物氣相外延(HVPE)、分子束外延技術(shù)(MBE)以及懸空外延術(shù)(Pendeo-epitaxy)等工藝方式制備，其中制備質(zhì)量效率最高的是金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積法技術(shù)，具有純度高、外延層薄、平整性好、易量產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
隨著大數(shù)據(jù)運(yùn)算、新能源汽車、5G通訊以及智能制造等領(lǐng)域崛起，無線充電、無人駕駛等領(lǐng)域應(yīng)用的興起，對(duì)功率器件的運(yùn)算處理性能提出了更高的要求。半導(dǎo)體廠家對(duì)于材料的選擇快速鎖定性能優(yōu)異的氮化鎵，于是氮化鎵器件的收并購、產(chǎn)業(yè)整合等發(fā)生了巨大變化，氮化鎵功率半導(dǎo)體已逐步成為關(guān)注的焦點(diǎn)。
?2 SiC進(jìn)展分析?
碳化硅作為第三代半導(dǎo)體器件的重要代表，已在工業(yè)、汽車以及國防軍工等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[3]。碳化硅功率器件類型如圖2所示，碳化硅MOSFET器件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
如圖4所示，碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈可分為：碳化硅襯底材料的制備、外延層的生長、器件制造以及下游應(yīng)用市場，通常采用物理氣相傳輸法（PVT法）制備碳化硅單晶，再在襯底上使用化學(xué)氣相沉積法（CVD法）生成外延片，最后制成器件。在SiC器件的產(chǎn)業(yè)鏈中，主要價(jià)值量集中于上游碳化硅襯底（占比50%左右）。
碳化硅材料具有禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、擊穿電場高等優(yōu)勢，備受期待。碳化硅是由1:1的硅與碳組合而成的產(chǎn)物，材質(zhì)堅(jiān)硬，以新莫氏硬度檢測，可達(dá)13（鉆石為15），其特點(diǎn)為：1）耐壓性高，適合高壓器件設(shè)計(jì)；2）冷點(diǎn)高，易冷卻，耐高溫；3）電子飽和速度更快，頻率高。如圖5所示，Si的MOSFET器件電壓隔離區(qū)在柵極和漏極之間，隔離區(qū)越寬，內(nèi)阻越大，功率損耗越高。SiC的MOSFET器件將隔離區(qū)做的更薄，導(dǎo)通阻值小，從而減小了能量損耗。
在二級(jí)管中，以硅做成的肖特基構(gòu)造電壓可以達(dá)到250 V，而碳化硅的則可達(dá)到4 000 V；晶體管中，硅的MOSFET常規(guī)來說可以做到900~1 500 V，但特性不好，而SiC的器件的電壓可達(dá)3 300 V。600 V以上耐壓功率元器件，硅器件中以PN(FRD)、IGBT為代表，其耐壓性、補(bǔ)充導(dǎo)通阻抗可以調(diào)節(jié)傳導(dǎo)率、因載流子少數(shù)積蓄使得恢復(fù)變慢；硅器件中以MOSFET為例，SJRON稍微改善、耐壓可達(dá)900 V、高速但阻抗大、恢復(fù)快；而SiC器件（如SBD、MOSFET）具有高耐壓性、外延層導(dǎo)通阻抗小、SW損耗急劇降低的特點(diǎn)。因此認(rèn)為，若需要低頻高壓，則使用硅器件中的IGBT最好；如果頻率較高，電壓要求低的產(chǎn)品，則使用硅器件中的 MOSFET最好；若是高頻高壓使用SiC器件中的MOSFET是最好；若電壓不需很大，但頻率很高則選用氮化鎵器件中的HEMT。
碳化硅襯底根據(jù)電阻率可劃分為：1）半絕緣型碳化硅襯底：指電阻率高于105 Ω·cm的碳化硅襯底，主要用于制造氮化鎵微波射頻器件。微波射頻器件是無線通訊領(lǐng)域的基礎(chǔ)性零部件，大力發(fā)展的5G技術(shù)推動(dòng)了碳化硅襯底需求釋放。2 ） 導(dǎo) 電 型 碳 化 硅 襯 底 ：指 電 阻 率 在 1 5 ~30 mΩ·cm的碳化硅襯底。由導(dǎo)電型碳化硅襯底生長出的碳化硅外延片可進(jìn)一步制成功率器件，成為電力電子變換裝置核心器件，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、光伏、智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域。汽車電動(dòng)化的趨勢利好于SiC的發(fā)展。
碳化硅應(yīng)用場景根據(jù)產(chǎn)品類型劃分：
1）射頻器件：是在無線通信領(lǐng)域負(fù)責(zé)信號(hào)轉(zhuǎn)換的部件，如功率放大器、射頻開關(guān)、濾波器和低噪聲放大器等。碳化硅基氮化鎵射頻器件具有熱導(dǎo)率高、高頻率、高功率等優(yōu)點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的硅基LDMOS（Laterally Diffused Metal OxideSemiconductor，橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）器件，可以更好地適應(yīng)5G通信基站、雷達(dá)應(yīng)用等領(lǐng)域低能耗、高效率要求。
2）功率器件：又稱電力電子器件，主要應(yīng)用于電力設(shè)備電能變換和控制電路方面的大功率電子器件，有功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。碳化硅基碳化硅器件在1 000 V以上的中高壓工業(yè)領(lǐng)域有深遠(yuǎn)影響，主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車/充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等。
3）新能源汽車：電動(dòng)汽車系統(tǒng)涉及功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件有電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)（OnBoard Charger，OBC）、車載DC/DC及非車載充電樁。其中，電動(dòng)車逆變器市場碳化硅功率器件應(yīng)用最多，碳化硅模塊的使用使得整車的能耗更低、尺寸更小、行駛里程更長。目前，國內(nèi)外車企均積極布局碳化硅器件應(yīng)用，以優(yōu)化電動(dòng)汽車性能，特斯拉、比亞迪、豐田等車企均開始采用碳化硅器件。隨著碳化硅功率器件的生產(chǎn)成本降低，碳化硅材料在充電樁領(lǐng)域的應(yīng)用也將逐步深入。
4）光伏發(fā)電：目前，光伏逆變器龍頭企業(yè)已采用碳化硅MOSFET功率器件替代硅器件。根據(jù)中商情報(bào)網(wǎng)數(shù)據(jù)，使用碳化硅功率器件可使轉(zhuǎn)換效率從96%提高至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍，從而帶來成本低、效能高的好處。
5）智能電網(wǎng)：國家大力發(fā)展新基建，特高壓輸電工程對(duì)碳化硅功率器件具有重大需求。在智能電網(wǎng)中的主要應(yīng)用場景包括高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器和電力電子變壓器等裝置。相比其他電力電子裝置，電力系統(tǒng)要求更高的電壓、更大的功率容量和更高的可靠性，碳化硅器件突破了硅基功率半導(dǎo)體器件在大電壓、高功率和高溫度方面的限制所導(dǎo)致的系統(tǒng)局限性，并具有高頻、高可靠性、高效率、低損耗等獨(dú)特優(yōu)勢，在固態(tài)變壓器、柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統(tǒng)等應(yīng)用方面推動(dòng)了智能電網(wǎng)的發(fā)展和變革。
6）射頻通信：碳化硅基氮化鎵射頻器件因碳化硅的高導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的特性，可以滿足5G通訊對(duì)高頻性能和大功率性能的需求，逐步成為5G功率放大器優(yōu)選的技術(shù)路線。碳化硅領(lǐng)域，特別是碳化硅的高端（高壓高功率場景）器件領(lǐng)域，基本上仍掌握在西方國家手里，SiC產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)美、日、歐三足鼎立的競爭格局，前五大廠商份額約90%。但是，碳化硅和第三代半導(dǎo)體在整個(gè)行業(yè)范圍內(nèi)仍然是在探索過程中，遠(yuǎn)未達(dá)到能夠大規(guī)模替代第二代半導(dǎo)體的成熟產(chǎn)業(yè)地步，國產(chǎn)替代的潛力巨大。
?3 新型半導(dǎo)體材料進(jìn)展?
臺(tái)積電宣布在第四代氧化物半導(dǎo)體材料IGZO（氧化銦鎵鋅）的制程技術(shù)上取得突破，可生產(chǎn)分辨率超過5 000 ppi的元宇宙顯示驅(qū)動(dòng)芯片。IGZO是一種新型半導(dǎo)體材料，有著比非晶硅（a-Si）更高的電子遷移率，可使用更窄的通道傳遞信息，實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，并具有高亮度、低功耗、窄邊框的優(yōu)勢。IGZO用在新一代高性能薄膜晶體管（TFT）中作為溝道材料，從而提高顯示面板分辨率，并使得大屏幕OLED電視成為可能。
Akhan半導(dǎo)體公司采用CMOS金剛石半導(dǎo)體工藝制造出的首個(gè)器件是金剛石PIN二極管，厚度打破記錄地薄至500 nm，性能比硅高100萬倍，還比硅薄100倍，原因在于金剛石的帶隙比碳化硅和氮化鎵還要寬。在熱分析結(jié)果顯示，該P(yáng)IN二極管中沒有熱點(diǎn)，因此沒有硅PIN二極管中的寄生損失。金剛石具有超低阻值，減少了散熱需求，還可淀積在硅、玻璃、藍(lán)寶石和金屬襯底上，有望重新激發(fā)微處理器運(yùn)算速度的演進(jìn)。
Ga2O3是金屬鎵的氧化物，同時(shí)也是一種半導(dǎo)體化合物[4]。研究人員曾試制了金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，盡管屬于未形成保護(hù)膜鈍化膜的簡單結(jié)構(gòu)，但是樣品已經(jīng)顯示出耐壓高、泄漏電流小的特性。在使用碳化硅和氮化鎵制造相同結(jié)構(gòu)的元件時(shí)，通常難以達(dá)到這些樣品的指標(biāo)。圍繞新一代的半導(dǎo)體材料的研究目前大多處于摸索過程中，但關(guān)鍵指標(biāo)還是在功耗更低、功率更高、成本更低和制備更易這幾個(gè)方面展開，充分發(fā)揮功率類化合物半導(dǎo)體的優(yōu)勢，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、產(chǎn)業(yè)升級(jí)而不斷努力！
?原文信息與來源?
“雙碳”目標(biāo)下三代半導(dǎo)體的發(fā)展分析
許景通，王二超，常青松，徐達(dá)，袁彪，史光華
（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）
doi: 10.14176/j.issn.1001-3474.2022.01.002
2022碳基半導(dǎo)體材料與器件
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