第三代半导体能否引领电子芯片业的一次改造？

　　宽禁带半导体资料打破原有半导体资料在大功率、高频、高速、高温环境下的功能约束，在5G通讯、互联网、新动力、电子信息工业等前沿范畴发挥重要效果。在摩尔定律遇到瓶颈，“我国制作2025”的大布景下，宽禁带半导体资料的开展前景不可限量。

　　跟着4G、5G通讯的迅速开展、一起人类出产日子科技化与信息化程度越来越高，电子信息技能工业在近几十年出现迅速开展态势。而在技能迅猛开展的背面，是半导体资料的三次重要阶段性开展。榜首代半导体资料以硅（Si）和锗（Ge）为代表，已在集成电路、航空航天、新动力和硅光伏工业中得到广泛运用并取得了杰出成效，现在仍是半导体工业的干流。随后，以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表的第二代化合物半导体资料因其在高频、高功率和低噪声指数等方面远超于Si，被广泛运用于微波毫米波器材以及发光器材中，首要用于制备高频、高速、大功率和发光电子器材。可是，跟着未来电子器材在更高频率、更高功率和更高集成度等方面的要求，榜首、二代半导体资料因为其本身资料固有特性的约束已变得无能为力。

　　在这种情况下，第三代化合物半导体资料——碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等资料进入了群众的视野。与前两代半导体资料比较，宽禁带半导体资料因其在禁带宽度和击穿场强等方面的优势以及耐高温、耐腐蚀、抗辐射等特色，十分合适更小体积、更轻分量、更高功率、更大功率的电子电力器材制备，在无线基础设施、军事和宇航、卫星通讯和功率转化等高频、高温、高功率作业范畴有着显着的优势，是5G移动通讯、新动力轿车、才智电网等前沿立异范畴的首选中心资料和器材，已成为当今世界各国争相研讨的科研热门和要点。从现在来看，研讨较为老练的是SiC和GaN资料。

　　SiC为Ⅳ主族中Si元素和C元素组成的化合物，C原子和Si原子以共价键的方式衔接。SiC的根本结构单元是硅碳四面体，其相互衔接构成各种严密堆积的结构。以碳化硅为典型代表的宽禁带半导体资料，与惯例半导体硅或砷化镓比较，具有宽带隙、高饱满漂移速度、高临界击穿电场等杰出长处，是大功率、高温、高频、抗辐照运用场合下极为抱负的半导体资料。在实践出产运用中，SiC宽禁带半导体资料能削减电容数量然后下降器材体积，一起因为其对高结温具有超高的耐受性，这种耐受性有助于进步功率密度，削减散热问题。

　　GaN资料首要得到广泛运用是在发光器材方面，随后GaN基高功能MMIC单片微波集成电路）得到了广泛重视，最近几年，因为异质外延技能的开展，GaNHEMT（高电子迁移率晶体管）得到了迅速开展。一起，因为GaN基半导体器材具有优异的耐压、耐热、耐腐蚀特性，它也是5G芯片运用的要害资料。

　　SiC芯片在特斯拉Model3上的初度露脸，让全球轿车厂商将目光放在了SiC这种全新的半导体资料，在巨大的商场需求推进下，一大批选用这种原料芯片的轿车现已正在路上。其间，由英飞凌制作的SiC芯片现已确认搭载在现代的新款电动轿车上，与装备一般硅芯片的轿车比较，其电动轿车的续航路程可进步5%。

　　SiC在新动力轿车范畴的广泛运用将为其打破现有的关于电池、能耗与操控体系上的瓶颈，关于整个职业的开展具有积极意义，尤其是在全体本钱的操控上，这点从现有的榜首批选用SiC的轿车特斯拉Model3上现已有所表现。SiC器材在特斯拉Model3上的初次运用也对SiC在轿车职业的开展起到了推进效果，国内外轿车厂商新动力板块的SiC器材的浸透率已开端逐步攀升，现在现已运用于特斯拉、比亚迪、蔚来、小鹏等品牌的中高端车型，如比亚迪纯电动车车型“汉”、Lucid推出的LucidAir皆选用SiC进步轿车功能，并且，这些轿车公司现已计划在未来车型中运用更多的SiC分立器材或模块。一起现代、奥迪、群众、奔驰、通用轿车等传统车企也开端研制SiC解决方案。Wolfspeed估计2026年的碳化硅器材商场结构中，新动力轿车将占有52%，其他射频、工控与动力将别离占有33%、16%，与2022年以射频器材为主的商场结构比较将发生较大改变。

　　Wolfspeed是现在全球最大的SiC衬造商，公司成立于1987年，具有30余年的碳化硅出产经历，近年来，公司开展战略不断发生改变，终究将碳化硅事务作为公司未来的主营事务，并于2021年10月将公司名称由Cree更改为Wolfspeed，从此专心于第三代化合物半导体范畴的布局。下图为Wolfspeed历年经营收入。除了Wolfspeed，剩余两家龙头企业别离是ROHM（罗姆）和onsemi（安森美）。

　　2022年4月Wolfspeed推出最新600kW XM3高功能双三相逆变器、模块化碳化硅评价体系。CRD600DA12E-XM3包含两组XM3功率模块，每组均带有CGD12HBXMP栅极驱动器。总体规划方针是选用低本钱、低复杂度的高载流量、低电感规划，最大极限进步功能。XM3渠道选用堆叠的平面结构规划，以便完成低杂散电感。模块内的电流回路既宽且薄，在器材间均匀分布，然后在开关方位发生等效阻抗。模块的电源端子也能笔直偏移，使得直流链路电容和模块之间的简略母线规划可以一向层压到模块上。终究结果是，在10MHz时，电源回路的杂散电感仅为6.7nH。

　　2022年5月11日，安森美(onsemi)在PCIMEurope展会发布全球首款To-Leadless(TOLL)封装的碳化硅(SiC)MOSFET。该晶体管满意了高功能开关器材的需求。TOLL封装的尺度仅为9.90mm×11.68mm，外形只要2.30mm，比D2PAK封装的PCB面积节约30%，体积小60%。除更小尺度外，TOLL封装还供给更好的热功能和更低的封装电感。其开尔文源极装备可保证更低的门极噪声和开关损耗,以及改善电磁搅扰(EMI)和更简单进行PCB规划。

　　2022年3月，罗姆推出了他们的第4代MOSFET产品。新系列包含额外电压为750 V（从650 V添加）和1200 V的MOSFET，以及一些可用的TO247封装组件，其轿车合格率高达56A/24mΩ。这表明罗姆将持续瞄准他们之前取得成功的车载充电器商场。ROHM在其发布声明中宣称，他们的第4代产品经过进一步改善原有的双沟槽结构，在不献身短路耐受时刻的情况下，将每单位面积的导通电阻比传统产品下降40%。此外，显着下降电容也使得开关损耗比罗姆的上一代SiC MOSFET下降50%成为可能。

　　现在碳化硅衬底全球实践产能50-60万片/年，国内碳化硅衬底产值为20-30万片/年，可完成批量供给的有天科合达、山东天岳等公司，2022年7月21日晚，天岳先进发布了《关于签定严重合同的公告》。依据公告：天岳先进取得近14亿元的6英寸导电型SiC衬底订单，从国内外揭露的签约报导来看，天岳此次取得的巨额订单是现在已知的国内6英寸导电衬底的最大订单，一起该订单金额也位居全球第二，仅次于意法半导体与Wolfspeed的8亿美元订单。别的小米、华为、中兴等公司在第三代半导体的研讨和运用方面也处于领先水平、除了众所周知的5G通讯技能，小米于2021年12月29日发布了67W GaN充电器，也是利用了第三代半导体器材GaN高频高效特性，让67W大功率输出浓缩至小小的身躯内，分量轻至89.5g。

　　现在，宽禁带半导体首要在3个范畴有强壮的商场竞争力。榜首是射频器材，即微波毫米波器材。与砷化镓和硅等半导体资料比较，在微波毫米波段的宽禁带半导体器材作业功率和输出功率显着要高，合适做射频功率器材。民用射频器材首要运用在移动通讯方面，包含现在的4G、5G和未来的6G通讯。例如，国内新装的4G和5G移动通讯的基站简直全用氮化镓器材。尤其是5G基站选用多输入多输出（MIMO）收发体系，每个基站64路收发，耗电量是4G基站的3倍以上，并且基站的密布度还要高于4G基站。未来6G通讯频率更高、基站数更多，对立将愈加杰出。

　　第二是大功率电力电子器材。快充设备、输变电体系、轨道交通、电动轿车和充电桩等都需求大功率、高功率的电力电子器材。碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体等具有比其他半导体资料更为显着的优势。

　　第三是光电器材。宽禁带半导体尤其在短波长光电器材方面有很显着的优势。例如在蓝光方面，现在半导体照明现已选用了氮化镓，在紫光、紫外光甚至在黄光、绿光等方面都可以直接用氮化物半导体作为资料。

　　从数据来看，自2017年至今，宽禁带半导体器材的商场规模呈十分显着的上升趋势。也就是说，近几年的确是宽禁带半导体立异开展的好时机，可是宽禁带半导体范畴面对的难题仍旧许多，如工艺的稳定性，中心技能研制、效果转化、本钱操控等方面，不可否认的是，第三代半导体的确打破了榜首、二代半导体资料本身资料固有特性的约束，也被商场所看好，有期望全面替代榜首、二代半导体资料，可是因为我国第三代半导体工业起步较晚，现在第三代半导体的中心技能仍是被日本、美国、欧洲等国家把握，但“失之东隅,收之桑榆”，这也给予了我国第三代半导体业很大的开展空间，在我国制作2025的大布景下，宽禁带半导体资料的开展前景不可限量。