从国际竞争角度看第三代半导体材料的崛起，美日欧争抢战略制高点



【材料+】说：

第一代半导体材料Si点燃了信息产业发展的“星星之火”，而Si材料芯片也成就了“美国硅谷”高科技产业群，促使英特尔等世界半导体巨头的诞生，95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路都是由Si材料制作。

目前全球40%能量作为电能被消耗，而电能转换最大耗散是半导体功率器件。曾经的“中流砥柱”Si功率器件已日趋其发展的材料极限，难以满足当今社会发展对于高频、高温、高功率、高能效、耐恶劣环境以及轻便小型化的新需求。以SiC为代表的第三代半导体材料凭借其优异属性，将成为突破口，正在迅速崛起。

来源：网络，【材料+】（ID：cailiaojia）整理。

SIC是什么呢？

碳化硅（SiC）是一种Ⅳ－Ⅳ族化合物半导体材料，具有多种同素异构类型。其典型结构可分为两类：一类是闪锌矿结构的立方SiC晶型，称为3C或 β－SiC，这里3指的是周期性次序中面的数目；另一类是六角型或菱形结构的大周期结构，其中典型的有6H、4H、15R等，统称为α－SiC。与Si相 比，SiC材料具有更大的Eg、Ec、Vsat、λ。大的Eg使SiC可以工作于650℃以上的高温环境，并具有极好的抗辐射性能。

SiC作为一种宽禁带半导体材料，不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，可以用来制造各种耐高温的高频、高效大功率器件，应用于Si器件难以胜任的场合。

相比于Si器件，SiC功率器件的优势体现在哪些方面？

作为一种宽禁带半导体材料，SiC对功率半导体可以说是一个冲击。这种材料不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点。具体来看，其导热性能是Si材料的3倍以上；在相同反压下，SiC材料的击穿电场强度比Si高10倍，而内阻仅是Si片的百分之一。SiC器件的工作 温度可以达到600℃，而一般的Si器件最多能坚持到150℃。

因为这些特性，SiC可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件，应用于Si 器件难以胜任的场合。以SiC肖特基二极管为例，它是速度最快的高压肖特基二极管，无需反向恢复充电，可大幅降低开关损耗、提高开关频率，适用于比采用硅 技术的肖特基二极管高得多的操作电压范围，例如，600V SiC肖特基二极管可以用在SMPS中，300V SiC肖特基二极管可以用作48~60V快速输出开关电源的整流二极管，而1200V SiC肖特基二极管与硅IGBT组合后可以作为理想的续流二极管。

采用硅材料的MOSFET在提高器件阻断电压时，必须加宽器件的漂移区，这会使其内阻迅速增大，压降增高，损耗增大。阻断电压范围在 1，200~1，800V的硅MOSFET不仅体积大，而且价格昂贵。IGBT虽然在高压应用时可降低导通功耗，但若开关频率增加时，开关功耗亦随之增 大。因此IGBT在高频开关电源上亦有其本身的限制。而用SiC做衬底的MOSFET，可轻易做到1，000～2，000伏的MOSFET，其开关特性（结电容值，开关损耗，开关波型等）则与100多伏的硅MOSFET相若，导通电阻更可低至毫欧值。在高压开关电源应用上，完全可取代硅IGBT并可提高系统的整体效率以及开关频率。

碳化硅（SiC）功率器件前景亮丽，市场驱动力主要基于：

1．太阳能的PV(光伏)逆变器

主要提高电源的转换效率。

2．新能源汽车(EV/HEV)

充一次电可以跑更长里程是新能源汽车的一个重要卖点。

3.  开关电源

用于服务器、空调；效率会更高，节电可观。

4. 重型电机、工业设备

主要是用在高频电源的转换器上，可以带来高效率、大功率、高频率的优势。

第三代半导体材料双雄：SiC和GaN

以SiC等为代表的第三代半导体材料，将被广泛应用于光电子器件、电力电子器件等领域，以其优异的半导体性能在各个现代工业领域都将发挥重要革新作用，应用前景和市场潜力巨大。　

半导体产业的发展先后经历了以硅(Si)为代表的第一代半导体材料，以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料，从上世纪五六十年代以来，这两代半导体材料为工业进步、社会发展做出了巨大贡献。如今，以SiC、GaN、氧化锌、金刚石、氮化铝为代表的宽禁带半导体材料以更大的优势力压第一、二代半导体材料成为佼佼者，统称第三代半导体材料。

作为一种新型宽禁带半导体材料，第三代半导体材料在许多应用领域拥有前两代半导体材料无法比拟的优点，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，可实现高压、高温、高频、高抗辐射能力，被誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”，以及光电子和微电子等产业的“新发动机”，尤其是新一代半导体照明关键的器件，具有广泛的基础性和重要的引领性。而从目前第三代半导体材料和器件的研究来看，较为成熟的是SiC和GaN半导体材料，而氧化锌、金刚石、氮化铝等材料的研究尚属起步阶段。在一番纷纷扰扰之后，SiC和GaN无疑成为第三代半导体材料双雄，发展最为迅速。

上世纪90年代之后，GaN进入快速发展时期，年均增长率达到30%，日益成为大功率LED的关键性材料。此后，GaN也同SiC一起，进军功率器件市场。2012年，GaN市场中仅有两三家器件供应商，2013年以来，陆续有很多公司推出新产品，整体市场空间得到了较好扩充。而SiC的商业化应用在21世纪才全面铺开，但商业化生产的SiC早在1987年就存在了。与低一级的Si相比，SiC有诸多优点：有高10倍的电场强度，高3倍的热导率，宽3倍禁带宽度，高1倍的饱和漂移速度。因为这些特点，使其小至LED照明、家用电器、新能源汽车，大至轨道交通、智能电网、军工航天，都具备优势，所以SiC的市场被各产业界颇为看好。

美日欧争抢制高点

从国际竞争角度看，美、日、欧等发达国家已将第三代半导体材料列入国家计划，并展开全面战略部署，欲抢占战略制高点。

如美国，2014年初，美国总统奥巴马宣布成立“下一代功率电子技术国家制造业创新中心”，期望通过加强第三代半导体技术的研发和产业化，使美国占领下一代功率电子产业这个正在出现的规模最大、发展最快的新兴市场，并为美国创造出一大批高收入就业岗位。

日本也建立了“下一代功率半导体封装技术开发联盟”，由大阪大学牵头，协同罗姆、三菱电机、松下电器等18家从事SiC和GaN材料、器件以及应用技术开发及产业化的知名企业、大学和研究中心，共同开发适应SiC和GaN等下一代功率半导体特点的先进封装技术。

欧洲则启动了产学研项目“LAST POWER”，由意法半导体公司牵头，协同来自意大利、德国等六个欧洲国家的私营企业、大学和公共研究中心，联合攻关SiC和GaN的关键技术。项目通过研发高性价比且高可靠性的SiC和GaN功率电子技术，使欧洲跻身于世界高能效功率芯片研究与商用的最前沿。

中国：建立创新基地加强专利武装

各国政府都纷纷加紧在该领域的部署，所幸，中国也不例外。而如何凭借这一机遇，使中国掌控新一轮半导体发展的话语权，至关重要。

2015年5月，京津冀就联合共建了第三代半导体材料及应用联合创新基地，抢占第三代半导体战略新高地，后还与荷兰代尔夫特理工大学签订战略合作协议，标志着该基地引进国际优势创新资源、汇聚全球创新创业人才取得新进展。

科技部高新司副司长曹国英表示，第三代半导体联合创新基地的建设对促进产业的发展具有十分积极的作用，科技部高新司将会持续支持第三代半导体的建设及基地的发展。

此外，与会专家也认为：实际上，与在第一代、第二代半导体材料及集成电路产业上的多年落后、很难追赶国际先进水平的形势不同，我国在第三代半导体领域的研究工作一直紧跟世界前沿，工程技术水平和国际先进水平差距不大，已经发展到了从跟踪模仿到并驾齐驱、进而可能在部分领域获得领先和比较优势的阶段，并且有机会实现超越。所以，随着国家战略层面支持力度的加大，特别是我国在节能减排和信息技术快速发展方面具备比较好的产业基础，且具有迫切需求和巨大的应用市场，因此我国将有望集中优势力量一举实现弯道超车和占位领跑。

“产业发展要从根本抓起，根本就在材料，如果没有材料做什么都无从抓起。从战略上讲，重视第三代半导体材料是整个国家的需要，站在半导体照明产业，也是我国发展新机会，抓得早一点、抓得紧一点，就可能与国际先进水平的差距缩小一点。国家仅仅起到引导和推动的作用，企业要努力找到成功的途径。”三星中国区总经理唐国庆在接受媒体采访时如是说。

根据预测，到2020年，第三代半导体技术的应用将催生我国多个领域均出现上万亿元的潜在市场价值，届时将催生巨大市场应用空间。

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