第三代半導體是支撐國防軍備、5G移動通信、能源互聯網、新能源汽車、軌道交通等產業創新發展和轉型升級的重點核心材料和電子元器件，因其在國防安全、智能制造、產業升級、節能減排等國家重大戰略需求方面的重要作用，正成為世界各國競爭的技術制高點。我國的“中國制造2025”計劃中明確提出要大力發展第三代半導體產業。未來5-10年是全球第三代半導體產業的加速發展期，也是我國能否實現產業自主可控的關鍵期。

第三代半導體材料主要包括SiC、GaN、金剛石等，因其禁帶寬度（Eg）大于或等于2.3電子伏特（eV），又被稱為寬禁帶半導體材料。與第一代、第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優點，可以滿足現代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求。

圖1:  6英寸(152.4mm)的碳化硅外延片

伴隨著電動車與再生能源的急速發展，在眾多第三代半導體材料當中碳化硅(SiC)聚焦于中功率、高功率的碳化硅（SiC），攜帶著高能效低功耗的特技，乘著節能減碳的“高速列車”一躍成為高功率電子的當紅炸子雞。我國及美、日、歐等發達國家和地區都把發展SiC 半導體技術列入國家戰略，投入巨資支持發展。

一、半導體產業發展歷程

半導體材料經過幾十年的發展，第一代硅材料半導體已經接近完美晶體，對于硅材料的研究也非常透徹。基于硅材料上器件的設計和開發也經過了許多代的結構和工藝優化和更新，正在逐漸接近硅材料的極限，基于硅材料的器件性能提高的潛力愈來愈小。以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體具備優異的材料物理特性，為進一步提升電力電子器件的性能提供了更大的空間。三代半導體材料發展歷程見下圖。

圖2:  半導體材料發展 “時間簡史”

第三代半導體雖然優性能更加強悍，但它不是一代和一代半導體的“掘墓人”，其只是在某些領域擁有比硅器件更有益的性能，做到了老一代半導體做不到的事情，挑戰了科技的極限，拉動科技的進步。第一、第二代半導體材料依然是未被淘汰，也并非必須淘汰的。就材料的應用而言，適合的才是最好的，殺雞焉用牛刀，低配也有低配的需求（從上圖我們可以看到，這三代產品都有自己的應用優勢），老一代成品技術成熟、制備成本低依然占據著大領域。未來，SiC、GaN 和硅將在不同的應用領域發揮各自的作用、占據各自的市場份額。

三、碳化硅半導體材料的主要用途

碳化硅作為第三代半導體材料的典型代表，也是目前晶體生產技術和器件制造水平最成熟，應用最廣泛的寬禁帶半導體材料之一，目前在已經形成了全球的材料、器件和應用產業鏈。是高溫、高頻、抗輻射、大功率應用場合下極為理想的半導體材料。由于碳化硅功率器件可顯著降低電子設備的能耗，因此碳化硅器件也被譽為帶動“新能源革命”的“綠色能源器件”。

盡管目前碳化硅半導體造價過高限制了其應用領域，但伴隨著新能源革命及物聯網等信息技術發展，寬禁帶化合物半導體未來幾年前景必然是向好的。據業內分析數據顯示“憑借著優異的性能特點，寬禁帶化合物半導體市場規模預計將在2020年成長至440億美元”，而碳化硅半導體作為寬禁帶化合物半導體重要的一員，其未來將“錢景無限”，下文將對碳化硅的優勢應用領域做介紹。

1、半導體照明領域

西安交大云峰教授如是說“假如把我國1/3的照明替換成LED半導體照明，那么每年可以節約一個三峽工程的發電量。”碳化硅作為LED器件襯底是其目前應用最為成熟的領域，市場上90%的SiC晶片被用于制造高亮度LED襯底材料。采用碳化硅作為襯底的LED期間亮度更高、能耗更低壽命更長、單位芯片面積更小，在大功率LED方面具有非常大的優勢。

圖3：2008年北京奧運會期間建造的水立方場館照明即采用了496000顆碳化硅基大功率LED

美國科銳公司(Cree)依靠其掌握的SiC晶體制備和LED外延等關鍵技術，逐步實現了從SiC襯底到LED外延、芯片封裝、燈具設計的完整照明器件產業鏈，幾乎壟斷了整個SiC襯底LED照明產業。在2013年，Cree公司報道的LED發光效率便已經超過276lm/W。Cree的LED照明產業的年產值達到了12億美元，市場規模增長迅速。由此可見，SiC襯底LED在照明產業中占據的市場規模不容小覷，表現出很強的市場競爭力和技術競爭力。

2、各類電機系統

我國目前風機、水泵、壓縮機系統總裝機容量約1.6億千瓦，年耗電近5000億千瓦時，如果改變調節方式，可實現節能10%—15%，約為500億—700億千瓦時，如此驚人的數字也都歸功于半導體碳化硅功率器件。在5千伏以上的高壓應用領域，半導體碳化硅功率器件在開關損耗與浪涌電壓上均有應用，最大可減少 92%的開關損耗，半導體碳化硅功率器件功耗降低效果明顯，設備的發熱量大幅減少，使得設備的冷卻機構進一步簡化，設備體積小型化，大大減少散熱用金屬材料的消耗。

備注：浪涌電壓，浪涌也叫突波，就是超出正常工作電壓的瞬間過電壓，一般指電網中出現的短時間象“浪”一樣的高電壓引起的大電流。從本質上講，浪涌就是發生在僅僅百萬上之一秒內的一種劇烈脈沖。浪涌電壓的產生原因有兩個，一個是雷電，另一個是電網上的大型負荷接通或斷開(包括補償電容的投切)時產生的。

3、微波器件領域

微波器件領域是整個碳化硅器件應用的一個細分市場。微波通訊在軍用領域的一個典型應用是相陣控雷達，像美國的F/A-18戰斗機，已經裝備了碳化硅襯底外延氮化鎵HEMT(高電子遷移率晶體管)；還有地基導彈系統，像某德系統中的核心器件就是碳化硅襯底外延氮化鎵的HEMT，美軍已基本全面裝備使用，而我國仍未完全立項，不過相信出于戰略上的考慮也會加快推進實行。軍事應用是由于戰略的需求，但該領域市場規模應該不會太大。

圖4 某德系統配備的雷達

射頻微波領域對應于民用就是通訊領域，也是整個碳化硅半導體產業應用增長的關鍵領域。2018年6月，首個完整版全球統一5G標準正式出爐，未來5G將大量采用相控陣天線技術，相信5G通訊的應用，也會大大推動碳化硅半導體產業化的進程。

4、新能源汽車及不間斷電源等電力電子領域

新能源汽車產業要求逆變器(即馬達驅動)的半導體功率模塊，在處理高強度電流時，具有遠超出普通工業用途逆變器的可靠性；在大電流功率模塊中，具有更好的散熱性，高效、快速、耐高溫、可靠性高的半導體碳化硅模塊完全符合新能源汽車要求。半導體碳化硅功率模塊小型化的特點可大幅削減新能源汽車的電力損失，使其在200℃高溫下仍能正常工作。更輕、更小的設備重量減少，減少汽車自身重量帶來的能耗。

目前，德國英飛凌公司針對純電動和插電式混合動力車，研制出的半導體碳化硅功率模塊，將功率范圍控制在20-80kw；采用溝槽柵和場截止層等國際最先進技術，降低飽和電壓,維持開關速度，減小芯片厚度，增大功率密度。另外,通過改進模塊內部的焊線工藝，將結溫提高到150℃或175℃，增加了功率循環次數，提高了可靠性，大大降低了能耗。

半導體碳化硅材料除了在新能源汽車節能中占有重要地位外,在高鐵、太陽能光伏、風能、電力輸送、UPS不間斷電源等電力電子領域均起到了卓越的節能環保作用。

5、讓電子設備體積更小

將筆記本電腦適配器的體積減少80%，將一個變電站的體積縮小至一個手提箱的大小。這也是碳化硅半導體令人期待的一個地方。

2014年，美國總統某巴馬親自主導成立了美國的碳化硅產業聯盟，他在成立大會講話中的一段話引人注目，“同與硅為基礎的技術相比，以碳化硅為代表的寬禁帶半導體能夠在在更高溫度和更高電壓及頻率的環境下正常工作，同時消耗更少的電力、具有更強的持久性和可靠性，并最終前所未有地發揮其性能。這些技術可以減少消費類電子產品的體積，如將筆記本電腦適配器的體積減少80%;也可以將一個變電站的體積縮小至一個手提箱的大小規格。

參考資料

1、碳化硅半導體材料應用及發展前景，中國電子科技集團公司第四十五研究所，賀東葛，王家鵬，劉國敬等著。

2、碳化硅半導體材料研究進展及其產業發展建議，李麗婷，廈門市科學技術信息研究院

作者：粉體圈小白