新型功率半导体件衬底材料研究

功率半导体基本概念

功率半导体，即依托电力电子技术、以功率处理为核心的半导体产业，本质上来讲，是通过利用半导体的单向导电性实现的电源开关和电力转换的功能，是弱电控制和强电运行之间的桥梁。因此功率半导体广泛地应用于能量产生、传输、应用的全环节。

功率半导体下游应用领域覆盖面广。为了满足更广泛和复杂的应用场景和环境，其种类从二极管逐渐拓展到BJT、GTO，再到MOSFET、IGBT，从不可控型向全控型方向演进，发展路径清晰，产品结构层次丰富，每种产品也在应用中不断突破原有技术瓶颈，衍生出众多规格和型号。

图1:功率半导体在半导体生态中的位置及其产品范围

图片来源：华润微招股说明书，恒旭资本整理

随着技术进步，功率半导体已从基本的二极管演进到更高级的MOSFET和IGBT等全控型半导体。整体而言，功率半导体行业呈现高功率、高能效、小型化及高性价比的发展趋势。目前，半导体市场存在着从传统硅基材料到新型碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等第三代宽禁带半导体材料，这类新材料因应对高温、高压和高频环境的优越性能而备受青睐，在中高压功率应用中显现出其独特的优势。

此外，第四代半导体材料如氧化镓和金刚石正处于研发与应用初期阶段，预计将提供更高的性能和成本效益。未来，随着材料科技的进一步突破和生产技术的改进，功率半导体市场将继续扩展，特别是在新能源汽车、智能电网等领域的应用将进一步推动市场需求。

功率半导体产业链 

功率半导体产业链主要包含单晶材料、外延、器件、模块几个环节。单晶材料是功率半导体技术和产业的基础，主要技术指标有单晶制晶、微管密度、单晶电阻率等。外延是实现器件制造的关键，主要指标有外延片直径、厚度、掺杂浓度、表面缺陷密度等。器件是整个产业链的核心，主要指标有阻断电压、单芯片导通电流/电阻、阻断状态的漏电流等。模块是实现器件应用的桥梁，主要技术指标有模块容量、热阻、寄生参数和驱动保护等。

图2：碳化硅器件的制造流程

图片来源：驱动视界，恒旭资本整理

材料为功率半导体创新方向 

功率半导体也满足摩尔定律，电源功率密度约每4年提升一倍。功率器件类型和材料均在发生演变，每一代技术大约历时20年，但演变的方向是不变的。功率半导体行业一直朝着大功率、高能效、小型化、高性价比的方向发展。

目前功率器件的形态已基本稳定：在中小功率领域（电压900V以下），MOSFET器件是应用最广泛的电力电子器件；在中大功率领域（电压1200-6500V），IGBT是市场上的主流产品；而在超大功率领域（电压3300V以上、容量1-45MW），晶闸管和IGCT等均具有巨大的市场。

图3：功率器件发展历程

图片来源：YOLE，恒旭资本整理

图4：MOSFET（左）和IGBT（右）基本结构

图片来源：中信建投证券研究发展部，恒旭资本整理

功率半导体材料发展情况

第一代半导体材料，发明并实用于20世纪50年代，以硅（Si）、锗（Ge）为代表。经过多年发展，目前广泛用于分立器件和芯片制造。

第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表，主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件.

第三代半导体材料主要是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体材料。其具有更宽的禁带宽度(>2.2eV)、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，可广泛应用在高压、高频、高温以及高可靠性等领域。由于制造设备、制造工艺以及成本的劣势，多年来第三代半导体材料只是在小范围内应用，无法挑战硅基半导体的统治地位。

第四代半导体指氧化镓(Ga2O3)、金刚石(C)、氮化铝(AlN)等超宽禁带半导体材料，以及锑化镓(GaSb)、锑化铟(InSb)等超窄禁带半导体材料。第四代超宽禁带材料在应用方面与第三代半导体材料有交叠，主要在功率器件领域有更突出的应用优势。第四代超窄禁带材料的电子容易被激发跃迁、迁移率高，主要应用于红外探测、激光器等领域。目前金刚石和氮化铝衬底/外延工艺难度大、成本高；而氧化镓目前技术成熟度最高，是最可能率先实现从实验室到工厂的第四代半导体材料。

图5：功率半导体材料发展历程

图片来源：云岫资本，恒旭资本整理

第三代功率半导体产业特点 

首先，第三代宽禁带半导体不是“颠覆”，而是“丰富”。Si基半导体发展逾半世纪，工艺成熟度和成本均很难被刚兴起不到10年的宽禁带半导体所取代。丰富半导体材料，使每种材料可以更好得匹配特定应用场景，是第三代宽禁带半导体存在的意义，而非“颠覆”或“取代”。Si基材料在过去50年内几乎占据半导体材料100%的市场份额，而近10年随着二代、三代半导体的产业化，我们看到半导体材料的分工不断细化、对应用场景的匹配性越来越高，形成了性能丰富的材料市场。这有利于下游行业的发展，也符合材料行业发展趋势。

其次，SiC和GaN主要优势领域不同。GaN有较高的功率密度，耐压力范围目前在600V以下，因此优势应用领域为光电器件、射频器件、中低压功率器件等，其微波功率器件的效果（微波输出功率密度上）远优于现有的一切半导体材料。

SiC在中高压功率器件领域是绝对的王者。在MOSFET原理上不产生尾电流，用SiC MOSFET替代IGBT时，能够明显地减少开关损耗，并且实现散热部件的小型化。因此SiC的优势应用领域为家用电器、新能源汽车、不间断电源、光伏/风能电站、智能电网、轨道交通列车等高压、高温、大功率、耗电量大、对节能有较高要求的领域。

第四代功率半导体尚未产业化 

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氧化镓材料简介

第四代半导体材料氧化镓Ga2O3是高压高功率的理想材料，成本较SiC有明显优势。氧化镓是金属镓的氧化物，同时也是一种半导体化合物。其结晶形态截至目前已确认有α、β、γ、δ、ε五种，其中β相最稳定，目前产业化以β相氧化镓为主。

氧化镓具有材料优势。首先，氧化镓的加工成本低：氧化镓的硬度比硅还软，因此加工难度较小，而SiC硬度高，加工成本极高。其次，氧化镓氧化镓的功率性能好、损耗低：氧化镓器件的功率损耗是SiC的1/7，也就是硅基器件的1/49。另外，氧化镓的生长速度是SiC的100倍：氧化镓用液相的熔体法生长，每小时长10~30mm，每炉2天，而SiC用气相法生长，每小时长0.1~0.3mm，每炉7天。最后，氧化镓晶圆的产线成本低，起量快：氧化镓不像SiC需要特殊设备而必须新建产线，潜在可转换的产能已非常巨大。

氧化镓材料具有市场潜力。氧化镓材料扩径、生产简单，芯片工艺易实现，成本低，且材料稳定，结构可靠，易于产出高品质衬底和外延。但同时应该注意，氧化镓在导热率、生产成本、P型结构上存在一定缺陷，产业化进程仍需克服技术问题。在单级替换双极方面（即MOSFET替换IGBT），新能源车及充电桩、特高压、快充、工业电源、电机控制等功率市场中，氧化镓材料将与硅基、GaN、SiC、Ga2O3共同竞争。

短期来说，预计氧化镓功率器件将在门槛较低、成本敏感的中高压市场率先出现，如消费电子、家电以及能发挥材料高可靠、高性能的工业电源等领域。长期来说，氧化镓功率器件覆盖650V/1200V/1700V/ 3300V，预计渗透车载和电气设备领域，未来也将在超高压的氧化镓专属市场发挥优势，如高压电源真空管等应用领域。

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金刚石材料简介

金刚石材料是制造大功率、高温、高频器件的理想材料。金刚石是碳元素（C）的单质同素异构体之一，为面心立方结构，每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外4个碳原子形成σ型共价键，C—C键长为0.154nm，键能为711kJ/mol，构成正四面体，是典型的原子晶体，集超硬、耐磨、热传导、抗辐射、抗强酸强碱腐蚀、可变形态（单晶/多晶）等诸多优异性能于一身。

图6：半导体材料横向性能对比

图片来源：电子发烧友，恒旭资本整理

金刚石可应用领域广泛，市场潜力巨大。金刚石集力学、电学、热学、声学、光学、耐蚀等优异性能于一身，应用场景广泛，可应用于高频、高功率、高电压以及强辐射的领域。

然而目前，该种材料诸多工艺环节面临技术瓶颈：其电学掺杂难，生长成本高，工艺难度大。当前金刚石器件的性能远没有理论预期的好，也远不如较为成熟的GaN基和SiC基器件，许多关键科学技术问题亟待解决，要实现金刚石器件的优异性能及其产业化应用还有很长的路要走。

功率半导体衬底材料未来趋势 

功率半导体件衬底材料是未来功率器件创新的重要方向。目前第三代半导体材料已经逐渐走向成熟，处于高速增长期；氧化镓、金刚石等第四代半导体材料仍处于相对较早期，还有许多问题需要解决，走向产业化还需要一定时间。

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