第三代半导体是支撑国防军备、5G移动通信、能源互联网、新能源汽车、轨道交通等产业创新发展和转型升级的重点核心材料和电子元器件，因其在国防安全、智能制造、产业升级、节能减排等国家重大战略需求方面的重要作用，正成为世界各国竞争的技术制高点。我国的“中国制造2025”计划中明确提出要大力发展第三代半导体产业。未来5-10年是全球第三代半导体产业的加速发展期，也是我国能否实现产业自主可控的关键期。

第三代半导体材料主要包括SiC、GaN、金刚石等，因其禁带宽度（Eg）大于或等于2.3电子伏特（eV），又被称为宽禁带半导体材料。与第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求。

图1:  6英寸(152.4mm)的碳化硅外延片

伴随着电动车与再生能源的急速发展，在众多第三代半导体材料当中碳化硅(SiC)聚焦于中功率、高功率的碳化硅（SiC），携带着高能效低功耗的特技，乘着节能减碳的“高速列车”一跃成为高功率电子的当红炸子鸡。我国及美、日、欧等发达国家和地区都把发展SiC 半导体技术列入国家战略，投入巨资支持发展。

一、半导体产业发展历程

半导体材料经过几十年的发展，第一代硅材料半导体已经接近完美晶体，对于硅材料的研究也非常透彻。基于硅材料上器件的设计和开发也经过了许多代的结构和工艺优化和更新，正在逐渐接近硅材料的极限，基于硅材料的器件性能提高的潜力愈来愈小。以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体具备优异的材料物理特性，为进一步提升电力电子器件的性能提供了更大的空间。三代半导体材料发展历程见下图。

图2:  半导体材料发展 “时间简史”

第三代半导体虽然优性能更加强悍，但它不是一代和一代半导体的“掘墓人”，其只是在某些领域拥有比硅器件更有益的性能，做到了老一代半导体做不到的事情，挑战了科技的极限，拉动科技的进步。第一、第二代半导体材料依然是未被淘汰，也并非必须淘汰的。就材料的应用而言，适合的才是最好的，杀鸡焉用牛刀，低配也有低配的需求（从上图我们可以看到，这三代产品都有自己的应用优势），老一代成品技术成熟、制备成本低依然占据着大领域。未来，SiC、GaN 和硅将在不同的应用领域发挥各自的作用、占据各自的市场份额。

三、碳化硅半导体材料的主要用途

碳化硅作为第三代半导体材料的典型代表，也是目前晶体生产技术和器件制造水平最成熟，应用最广泛的宽禁带半导体材料之一，目前在已经形成了全球的材料、器件和应用产业链。是高温、高频、抗辐射、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。由于碳化硅功率器件可显著降低电子设备的能耗，因此碳化硅器件也被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源器件”。

尽管目前碳化硅半导体造价过高限制了其应用领域，但伴随着新能源革命及物联网等信息技术发展，宽禁带化合物半导体未来几年前景必然是向好的。据业内分析数据显示“凭借着优异的性能特点，宽禁带化合物半导体市场规模预计将在2020年成长至440亿美元”，而碳化硅半导体作为宽禁带化合物半导体重要的一员，其未来将“钱景无限”，下文将对碳化硅的优势应用领域做介绍。

1、半导体照明领域

西安交大云峰教授如是说“假如把我国1/3的照明替换成LED半导体照明，那么每年可以节约一个三峡工程的发电量。”碳化硅作为LED器件衬底是其目前应用最为成熟的领域，市场上90%的SiC晶片被用于制造高亮度LED衬底材料。采用碳化硅作为衬底的LED期间亮度更高、能耗更低寿命更长、单位芯片面积更小，在大功率LED方面具有非常大的优势。

图3：2008年北京奥运会期间建造的水立方场馆照明即采用了496000颗碳化硅基大功率LED

美国科锐公司(Cree)依靠其掌握的SiC晶体制备和LED外延等关键技术，逐步实现了从SiC衬底到LED外延、芯片封装、灯具设计的完整照明器件产业链，几乎垄断了整个SiC衬底LED照明产业。在2013年，Cree公司报道的LED发光效率便已经超过276lm/W。Cree的LED照明产业的年产值达到了12亿美元，市场规模增长迅速。由此可见，SiC衬底LED在照明产业中占据的市场规模不容小觑，表现出很强的市场竞争力和技术竞争力。

2、各类电机系统

我国目前风机、水泵、压缩机系统总装机容量约1.6亿千瓦，年耗电近5000亿千瓦时，如果改变调节方式，可实现节能10%—15%，约为500亿—700亿千瓦时，如此惊人的数字也都归功于半导体碳化硅功率器件。在5千伏以上的高压应用领域，半导体碳化硅功率器件在开关损耗与浪涌电压上均有应用，最大可减少 92%的开关损耗，半导体碳化硅功率器件功耗降低效果明显，设备的发热量大幅减少，使得设备的冷却机构进一步简化，设备体积小型化，大大减少散热用金属材料的消耗。

备注：浪涌电压，浪涌也叫突波，就是超出正常工作电压的瞬间过电压，一般指电网中出现的短时间象“浪”一样的高电压引起的大电流。从本质上讲，浪涌就是发生在仅仅百万上之一秒内的一种剧烈脉冲。浪涌电压的产生原因有两个，一个是雷电，另一个是电网上的大型负荷接通或断开(包括补偿电容的投切)时产生的。

3、微波器件领域

微波器件领域是整个碳化硅器件应用的一个细分市场。微波通讯在军用领域的一个典型应用是相阵控雷达，像美国的F/A-18战斗机，已经装备了碳化硅衬底外延氮化镓HEMT(高电子迁移率晶体管)；还有地基导弹系统，像某德系统中的核心器件就是碳化硅衬底外延氮化镓的HEMT，美军已基本全面装备使用，而我国仍未完全立项，不过相信出于战略上的考虑也会加快推进实行。军事应用是由于战略的需求，但该领域市场规模应该不会太大。

图4 某德系统配备的雷达

射频微波领域对应于民用就是通讯领域，也是整个碳化硅半导体产业应用增长的关键领域。2018年6月，首个完整版全球统一5G标准正式出炉，未来5G将大量采用相控阵天线技术，相信5G通讯的应用，也会大大推动碳化硅半导体产业化的进程。

4、新能源汽车及不间断电源等电力电子领域

新能源汽车产业要求逆变器(即马达驱动)的半导体功率模块，在处理高强度电流时，具有远超出普通工业用途逆变器的可靠性；在大电流功率模块中，具有更好的散热性，高效、快速、耐高温、可靠性高的半导体碳化硅模块完全符合新能源汽车要求。半导体碳化硅功率模块小型化的特点可大幅削减新能源汽车的电力损失，使其在200℃高温下仍能正常工作。更轻、更小的设备重量减少，减少汽车自身重量带来的能耗。

目前，德国英飞凌公司针对纯电动和插电式混合动力车，研制出的半导体碳化硅功率模块，将功率范围控制在20-80kw；采用沟槽栅和场截止层等国际最先进技术，降低饱和电压,维持开关速度，减小芯片厚度，增大功率密度。另外,通过改进模块内部的焊线工艺，将结温提高到150℃或175℃，增加了功率循环次数，提高了可靠性，大大降低了能耗。

半导体碳化硅材料除了在新能源汽车节能中占有重要地位外,在高铁、太阳能光伏、风能、电力输送、UPS不间断电源等电力电子领域均起到了卓越的节能环保作用。

5、让电子设备体积更小

将笔记本电脑适配器的体积减少80%，将一个变电站的体积缩小至一个手提箱的大小。这也是碳化硅半导体令人期待的一个地方。

2014年，美国总统某巴马亲自主导成立了美国的碳化硅产业联盟，他在成立大会讲话中的一段话引人注目，“同与硅为基础的技术相比，以碳化硅为代表的宽禁带半导体能够在在更高温度和更高电压及频率的环境下正常工作，同时消耗更少的电力、具有更强的持久性和可靠性，并最终前所未有地发挥其性能。这些技术可以减少消费类电子产品的体积，如将笔记本电脑适配器的体积减少80%;也可以将一个变电站的体积缩小至一个手提箱的大小规格。

参考资料

1、碳化硅半导体材料应用及发展前景，中国电子科技集团公司第四十五研究所，贺东葛，王家鹏，刘国敬等著。

2、碳化硅半导体材料研究进展及其产业发展建议，李丽婷，厦门市科学技术信息研究院

作者：粉体圈小白