宽禁带半导体：颠覆者还是搅局者？

摩尔定律正在走入死胡同。

摩尔定律其实不是一条物理定律，而是一个早期通过观察发现的行业发展规律，后来由人为力量坚强推动的产业进步周期。在这中间，靠的不是一两个偶然发现的技术突破，而是源源不断的新材料、新工艺和新技术的突破，让处理器的发展得以继续。

半导体行业有“一代材料、一代技术、 一代产业”的说法。新的材料技术仿佛有“四两拨千斤”的魔力，轻轻松松带来颠覆性变革。

后摩尔时代，具有先天性能优势的宽禁带半导体材料脱颖而出。

天生自带高光

宽禁带半导体指的是禁带宽度大于2.2eV的半导体材料，而当前主流的半导体材料硅的禁带宽度是大约是1.12eV（eV即电子伏特，能量单位，表示一个电子经过1V的电位差加速后所获的动能）。

禁带宽度直接决定着器件的耐压和最高工作温度。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点，因此拥有这些性能优势：耐高压、耐高温、大功率、导电性能强、工作速度快、工作损耗低，速度快，开关频率高，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。

宽禁带半导体（也称第三代半导体）主要指以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带半导体材料。

随着第一二代半导体工艺接近物理极限，微电子领域的摩尔定律慢慢开始失效。受疫情后期汽车、工业和移动通信等行业市场需求反弹因素推动，再加上“碳中和”概念倡导及相关政策支持，2021年，第三代半导体的成长动能有望持续上升。据Yole数据显示，到2020年底，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率半导体的全球市场将增长到 8.54 亿美元，其中，碳化硅（SiC ）市场规模约为 7.03 亿美元，氮化镓（GaN）市场规模约为1.5亿美元。到2025年碳化硅（SiC）市场规模将超过30亿美元，氮化镓（GaN）市场规模将超过6.8亿美元。

节能减排，碳中和的笃行者

当特斯拉为了行驶里程仅5%的提升，不惜以成本高几倍的代价率先全面采用碳化硅时，这种新材料在新能源汽车及配套领域的应用潜力就得到了验证，为将节能视为首要需求的行业树立了一块样板。

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。

让应用性能炸裂，怎么做到的？

从工程角度来看，SiC和GaN具有的优势主要有：

• 宽禁带半导体具有卓越的dV/dt切换性能，这意味着开关损耗非常小。这使得高开关频率(SiC为50 kHz至500 kHz，GaN为1 MHz以上)成为可能，结果有助于减小磁体体积，同时提升功率密度。
• 电感值、尺寸和重量能减少70%以上，同时还能减少电容数量，使最终转换器的尺寸和重量仅相当于传统转换器的五分之一。
• 无源元件和机械部件(包括散热器)的用量可节省约40%，增值部分则体现在控制电子IC上。
• 宽禁带半导体对高结温具有超高的耐受性，这种耐受性有助于提升功率密度，减少散热问题。

在应用上，SiC和GaN的优势是互补的。

SiC热导率是GaN的三倍以上，在高温应用领域更有优势。同时SiC单晶的制备技术相对更成熟，所以SiC功率器件的种类远多于GaN。但随着GaN制造工艺在不断进步，在GaN-on-Si外延片上制造的GaN器件具有相当低的成本，比在SiC晶片上制造任何产品都更为容易。由于这些原因，GaN晶体管可能会成为2020年代后期逆变器中的首选，优于较昂贵的SiC MOSFET。数据显示，2023年全球GaN器件市场规模将达到224.7亿美元。

GaN拥有更高的热导率和更成熟的技术，而SiC直接跃迁、高电子迁移率和饱和电子速率、成本更低的优点则使其拥有更快的研发速度。两者的不同优势决定了应用范围上的差异。GaN的市场应用偏向高频小电力领域，集中在1000V以下；而SiC适用于1200V以上的高温大电力领域。两者的应用领域覆盖了新能源汽车、光伏、机车牵引、智能电网、节能家电、通信射频等大多数具有广阔发展前景的新兴应用市场。

SiC借新能源汽车出圈

SiC最大的应用市场来自汽车。SiC比硅更薄、更轻、更小巧，市场应用领域偏向1000V以上的中高压范围。与传统解决方案相比，基于SiC的解决方案使系统效率更高、重量更轻及结构更加紧凑。

在电动汽车中，SiC功率半导体主要用于驱动和控制电机的逆变器、车载充电器和快速充电桩。对于逆变器而言，800V高压运行架构下的SiC功率半导体比传统硅器件的整体系统效率高8%。SiC功率半导体也使得散热系统设计更简单，机电结构的空间更小。对于车载充电和快速充电桩，SiC功率半导体与传统硅器件相比，在充电过程中减少了能量损失，也减少了所需的电容和电感的数量。

2017年12月，罗姆为VENTURI车队在电动汽车全球顶级赛事“FIAFormula E”锦标赛中提供了采用全SiC功率模块制造的逆变器，使逆变器尺寸下降了43%，重量减轻了6kg。

SiC行业龙头Cree预计到2022年，SiC在电动车用市场空间将快速增长到24亿美元，是2017年车用SiC整体收入（700万美元）的342倍。

GaN凭PD快充上位

GaN功率器件应用于低电压、高频的电力管控，在消费类电子领域具有极其广阔的应用前景。特别是基于其工作频率高、动态损耗小、导通电阻低以及耐高温、发热量低的优异性能，极适合作为开关电源应用，为各种消费类电子终端提供绿色高效电源。

2020年，小米在发布会上官宣发布65W氮化镓USB PD快充充电器，让氮化镓充电器一夜之间成为“网红”。而OPPO、华为等手机大厂也纷纷入局氮化镓充电器。

采用氮化镓技术的充电器比传统的硅技术充电器体积缩小 30% - 50%，重量减少 15% - 30%，整体效率提升 10% - 20%。在相同体积和输出功率下，温度也会比硅基更低。

目前，氮化镓快充技术已经逐步覆盖到了平板电脑、笔记本电脑、显示器、新能源汽车、电动工具、IoT设备等七大市场。除了手机厂商之外，笔电厂商也已陆续进入氮化镓快充市场，联想、戴尔、LG等品牌均基于氮化镓功率器件推出了高效的大功率快充配件，而新产品相较于传统的笔记本适配器体积大大缩小，一台65W以上容量的快充，可满足笔记本、手机和平板电脑的充电需求。第三代半导体产业技术创新战略联盟联盟认为，氮化镓快充将在未来几年迎来发展的巅峰，市场容量十分可观。

GaN：5G的宠儿

5G将带来半导体材料革命性的变化，随着通讯频段向高频迁移，基站及通信设备对射频器件高频性能的要求也在不断提高。GaN射频器件与传统的硅横向扩散金属氧化物半导体（Si-LDMOS）和GaAs器件相比，具有更高工作电压、更高功率、更高效率、高功率密度，更高工作温度和更耐辐射能力的优势，5G所需要的多重载波聚合以及基站的功率放大器，GaN都可以占据一席之地，通吃5G的上下游产业链。

▲GaN-on-SiC、GaN-on-Si、GaN-on-Diamond 发展预测（来自Yole Développement）

在5G的关键技术Massive MIMO应用中，基站收发信机上使用大数量（如32/64等）的阵列天线实现更大的无线数据流量和连接可靠性，这种架构需要相应的射频收发单元阵列配套。因此射频器件的数量将大为增加，利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特点可实现高集化的解决方案，如模块化射频前端器件。

5G基站密度和基站数量也会大为增加，相比3G、4G时代，5G时代的射频器件将会以几十倍、甚至上百倍的数量增加，因此成本的控制非常关键，随着硅基氮化镓技术的成熟，它能以最大的性价比优势取得市场的突破。

在5G毫米波应用上，GaN的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸，实现性能成本的最优化组合。

随着新基建的实施，从高阶高端的雷达、电子对抗、导航和空间通信等军事电子装备应用到5G基站、物联网、激光雷达、无人驾驶汽车毫米波雷达、人工智能以及通用固态射频功率源等宽广的民用领域，GaN有望重塑射频技术领域发展的新格局。

根据Yole预测，GaN 射频市场将从 2018 年的 6.45 亿美元增长到 2024 年的约 20 亿美元。

大规模落地有什么障碍

虽然GaN和SiC等宽禁带半导体正在快速增长中，但它们的发展还是面临着许多挑战的。

成本，这是所有新技术在推广初期都会遇到的问题，据Yole统计，目前SiC MOSFET器件的每安培成本受制于上游晶圆产能不足、晶圆缺陷面积较大等原因，价格是硅的5-10倍。这主要是由于下游应用目前大多处在研发阶段，还没有形成批量产业化，尤其是在国内。功率GaN还是一个充满竞争的领域，对其成本要求比较高，需要与硅材料比拼成本、性能，其产业发展还不够成熟。

SiC晶锭的制作比硅低效很多，而且SiC晶圆的尺寸迭代与硅相比仍处于早期阶段，最近ST刚刚宣布制造出8英寸SiC晶圆。Cree、ST等主流厂商都已经量产6英寸晶圆，并同步进行8英寸的研发，计划最早于2022年量产8英寸晶圆。单片8英寸晶圆芯片产量可达到6英寸的1.8倍，但同时也面临着缺陷密度变高等难题。

▲SiC晶片

为了充分利用SiC器件的功率和性能，必须对封装进行显著改进。因为SiC器件的尺寸要小得多，因此，必须优化分立封装和模块的热性能，为此需要改进粘晶材料(die attach materials)和方法，这需要直接散热和/或双面散热的方案。

宽禁带功率半导体面临的技术难题还有很多，如衬底材料的完整性、外延层及欧姆接触的质量、工艺稳定性、器件可靠性以及成本控制等，宽禁带功率半导体产业化的难度比外界想象的要大很多。

硅基技术的搅局者，还是颠覆者？

目前关于宽禁带半导体未来发展空间的讨论很热，观点大致分为两个方向：

激进派

“宽禁带半导体材料，可以被广泛应用在各个领域，且具备众多的优良性能，可突破第一、二代半导体材料的发展瓶颈，故被市场看好的同时，随着技术的发展有望全面取代第一、二代半导体材料。”

保守派

“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。”“宽禁带半导体”并不比“第一代”先进。第三代半导体目前还是一个小众市场，主要作为补充市场，当今半导体市场90%仍然是以硅材料为代表的第一代半导体，第二代、第三代加起来不过10%。“

个人认为，目前硅材料占市场绝对比例只是客观事实，宽禁带半导体未来绝对可期。

中外差距不止“半步”

今年3月12日，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》已将推动“碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展”写入了“科技前沿领域攻关”部分。

有观点认为，“宽禁带半导体”，全球基本处在同一起跑线上，中国可能只差半步。碳化硅、氮化镓行业被认为是中国半导体业“变道超车”的机会。

还有多位人士称，第三代半导体产业链相比硅基更能自主可控。核心原因在于，不需要那么高精尖的制程。

此外，它们对于EDA工具的要求也同样没有那么高。一位碳化硅专家表示，现在碳化硅、氮化镓半导体还停留在分立器件、独立器件层面，不是大规模集成电路，不需要依赖那么多复杂的EDA功能。

另外，发展“第三代半导体”需要的投入与硅基的半导体相比，投资规模更小。硅基半导体建制造厂都是几百亿起，而“第三代半导体”只要10亿元就可建起一个一般规模的制造厂。

但逐本溯源，宽禁带半导体仍将受制于更底层的基础产业。碳化硅的基础材料，如高纯的碳粉和硅粉，中国在提纯技术上有差距；而在碳化硅设备里，中国缺乏高纯的石墨坩埚技术；生产器件，光刻机、光刻胶也是个问题。氮化镓也面临类似问题。

此外，中国宽禁带半导体在产业生态的成熟度上与国外的差距还很明显，落后程度更甚于技术层面。革命尚未成功，同志仍需努力。