由深圳瑞沃微半导体科技有限公司发布  |  2024-03-22  深圳  

  宽禁带半导体是指禁带宽度在2.3eV及以上的半导体材料，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表，也称“第三代半导体”。采用SiC、GaN材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行，适用于高电压、高频率场景，还能以较少的电能消耗，获得更高的运行能力。

宽禁带半导体不属于先进工艺，对设备的依赖会小一点，其涉及的很多设备目前基本上可以在国内获得，核心设备后期也可以实现自主可控。“这是一个新赛道，我们有机会获得突破。”

硅（Si）材料的潜力已逐渐开发殆尽。相比于硅，SiC具有其10倍的击穿电场强度、3倍的禁带宽度、2倍的极限工作温度和超过2倍的饱和电子漂移速率。SiC还具有3倍的热导率，这意味着3倍于Si的冷却能力。而GaN则具备比SiC更宽的禁带宽度、击穿电场强度及饱和电子漂移速率。

SiC产业链大致可以分为衬底、外延、器件三大环节，器件包括设计、制造和封测。

SiC器件不可直接制作于衬底上，需先用化学气相沉积法在衬底表面生成所需薄膜材料，形成外延片，再进一步制成器件。从技术难度来看，衬底环节技术难度最大，其次是器件环节。衬底同时也是成本占比最高的环节，占据47%。

衬底技术难度大首先缘于良率低。碳化硅的晶型多达200多种，要生成所需的单一晶型（主流为4H晶型），需要控制十分精确。另一方面，SiC衬底莫氏硬度达9.2，属于高硬度脆性材料，加工过程中易开裂，加工完成后的衬底易存在翘曲等质量问题。

GaN材料具备多重性能优势。首先，GaN可以进一步提高开关频率，这意味着可以减少系统材料的体积和面积，其次，GaN的高饱和电子浓度可以大幅降低导频损耗，实现小尺寸的功率器件设计。

“用650V的GaN器件和SiC器件对比，前者体积约1/2甚至更小。”氮化镓是解决未来发展矛盾的最佳方案。

GaN在快充领域的应用已经被证明。根据Yole，2021年GaN功率器件下游应用中，消费电子占比63.2%，以消费类快充应用为主。

不过，由于技术制约，当前GaN器件仍难以实现在10KW、1200V以上的大功率场景应用。以新能源汽车为例，GaN器件当前多用于DCDC、OBC等小功率场景，难以在电机控制器实现应用。因此，SiC MOSFET主攻高压领域，GaN MOSFET主攻高频领域。

据目前所了解，氮化镓GaN碳化硅SIC功率器件已逐渐正在一步步占据摩尔时代半导体领地，属于“蹊径”之一。

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