在“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)過程中，各個行業(yè)都賦予了新的活力，并新興了全新的商業(yè)模式。在此背景下，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**能源產(chǎn)業(yè)變革，實現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展。第三代半導(dǎo)體材料是以碳化硅、氮化鎵為**，與前兩代半導(dǎo)體材料相比**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度，適合制備耐高壓、高頻的功率器件，是電動汽車、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。

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，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**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、IGBT、SBD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)備要求相對不高，難點在于第三代半導(dǎo)體材料的制備，同時在設(shè)計上沒有優(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**的特點（如圖1所示），相信在未來一段時間將是三代半導(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**。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)運行所需各類電力電子設(shè)備的能量密度，降低成本造價，增強可靠性和適用性，提高電能轉(zhuǎn)換效率，降低損耗。

針對第三代功率半導(dǎo)體器件需求，加速實現(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**檢測儀器和裝備的國產(chǎn)化。加強產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，從襯底、外延、芯片到封裝、控制器設(shè)計制造以及應(yīng)用等各環(huán)節(jié)實現(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)鏈落實雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的保障。

1 GaN進展分析   

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**事業(yè)應(yīng)用推動，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)行電動汽車的特點是耗電型電驅(qū)動，傳統(tǒng)的12 V配電總線負擔(dān)增加，對于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協(xié)議等優(yōu)勢，將會在未來壟斷筆記本電腦和手機等充電器市場。隨著中國廠商在65 W快速充電器中采用GaN HEMT（高電子遷移率晶體管），功率型氮化鎵產(chǎn)品正在進入主流消費電子應(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，能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。氮化鎵外延層主要通過金屬有機化學(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)等工藝方式制備，其中制備質(zhì)量效率**的是金屬有機化學(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。

隨著大數(shù)據(jù)運算、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，對功率器件的運算處理性能提出了更高的要求。半導(dǎo)體廠家對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。

2 SiC進展分析

碳化硅作為第三代半導(dǎo)體器件的重要**，已在工業(yè)、汽車以及****等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。碳化硅功率器件類型和碳化硅MOSFET器件結(jié)構(gòu)如下圖：

     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**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，**制成器件。在SiC器件的產(chǎn)業(yè)鏈中，主要價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)堅硬，以新莫氏硬度檢測，可達13（鉆石為15），其特點為:

1. 耐壓性高，適合高壓器件設(shè)計；

2. 冷點高，易冷卻，耐高溫；

3. 電子飽和速度更快，頻率高。

      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。

      在二級管中，以硅做成的肖特基構(gòu)造電壓可以達到250 V，而碳化硅的則可達到4000 V；晶體管中，硅的MOSFET常規(guī)來說可以做到900~1500 V，但特性不好，而SiC的器件的電壓可達3300 V。600 V以上耐壓功率元器件，硅器件中以PN(FRD)、IGBT為**，其耐壓性、補充導(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。因此認為，若需要低頻高壓，則使用硅器件中的IGBT**；如果頻率較高，電壓要求低的產(chǎn)品，則使用硅器件中的 MOSFET**；若是高頻高壓使用SiC器件中的MOSFET是**；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15~30 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一步制成功率器件，成為電力電子變換裝置**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)域負責(zé)信號轉(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，相較于傳統(tǒng)的硅基LDMOS器件，可以更好地適應(yīng)5G通信基站、雷達應(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)域有深遠影響，主要應(yīng)用于電動汽車/充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等。   

      3.新能源汽車：電動汽車系統(tǒng)涉及功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件有電機驅(qū)動系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)、車載DC/DC及非車載充電樁。其中，電動車逆變器市場碳化硅功率器件應(yīng)用*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**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、低損耗等獨特優(yōu)勢，在固態(tài)變壓器、柔**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通訊對高頻性能和大功率性能的需求，逐步成為5G功率放大器**的技術(shù)路線。碳化硅領(lǐng)域，特別是碳化硅的**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，**大廠商份額約90%。但是，碳化硅和第三代半導(dǎo)體在整個行業(yè)范圍內(nèi)仍然是在探索過程中，遠未達到能夠大規(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。   

      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，為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、產(chǎn)業(yè)升級而不斷努力。

賽瑞達智能電子裝備（無錫）股份有限公司，是一家專注于研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)的半導(dǎo)體前道工藝設(shè)備和光伏電池**設(shè)備的**裝備制造企業(yè)，公司主要產(chǎn)品有臥式和立式擴散爐、LPCVD、高溫氧化爐和退火爐等。可以為4-8英寸碳化硅、氮化鎵襯底和外延工藝提供氧化爐、磷擴爐、LPCVD和高溫氧化爐、退火爐等設(shè)備。并可以根據(jù)客戶需求提供定制化的設(shè)備和工藝解決方案。

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