宽禁带半导体有什么用处？

今天聊聊半导体——宽禁带的：）

半导体，通常指硅基的半导体材料，这类材料可以通过掺杂产生富电子及富空穴的区域（自行修读半导体物理），而在外部电场的影响下，能使材料表现出导通电流和非导通电流的状态，从而实现逻辑功能或0/1控制。

普通的硅基材料能满足IC电路大部分的开关需求，因此我们使用的电子产品都是以硅基为基础的晶体管。经常听到的几nm的概念就是晶体管的尺寸。那么，为什么晶体管需要越做越小呢？打个不那么恰当的比喻，就像家里的水龙头，小的水龙头开关可以快点精准控制，而水库的水龙头开关不但相对较慢，而且需要耗费很多能量。

但硅基的水龙头有局限性，在高频下切换开关不利索了，要么开关不牢，有滴漏现象，要么产生的电路串扰让损耗加大，无法连续运作。这个时候，宽禁带半导体就跳出来了——来来来，水往我这里来。。。

以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带（也有被称为第三代）半导体凭借优异的物理特性，天然适合制作高压、高频、高功率的半导体器件。可以说，宽禁带半导体能实现硅材料难以实现的功能，也能在部分与硅材料交叉的领域达到更高的性能和更低的系统性成本，被视为后摩尔时代材料创新的关键角色。

【插句题外话，十几年前在硅所看人烧碳化硅结构陶瓷的时候，谁能想到这玩意现在会红火，只知道很硬，课题组的小吴同学大部分时间貌似都在又切又磨。当然，我们这里说的碳化硅是单晶，烧出来的碳化硅陶瓷是多晶体。扯远了，拉回来】

碳化硅（SiC）基半导体跟硅基的运作方式类似，但是由于禁带较宽，可以用很薄的电子漂移层结构实现硅基无法实现的导通行为和抗高压击穿能力。因此，碳化硅器件通常都比硅器件小，也可以用更薄的晶圆，从而在导通时实现比硅小得多的电阻。SiC的结构跟IGBT的结构和工作原理也很类似，电流都是通过垂直导通模式留过芯片。相对而言，我们接触的IC则是平面导通，因此在封装连接技术上，功率半导体的封装类型和需求也有别于IC，使其在封装家族中形成独特的风景线。

SiC MOSFET （www.shindengen.com）

SiC发展到现在也经历了几代器件结构，跟硅的趋势很类似，门极也在渐渐减小，从平面结构开始向沟槽结构发展，除了器件本身减小之外，电性能也得到提升。碳化硅主要针对的是高压应用，可以使用于1200V以上的耐压需求，例如车载充电，光伏发电，水力和风电等。由于碳化硅适合汽车电气化和绿色电力能源，也被认为是碳中和领域电力电子中的关键技术。

氮化镓（GaN）则与SiC不同，电子只在AlGaN保护的GaN外延层导通，有点像波导。而做为衬底结构通常可以用硅基或蓝宝石，为了增加导热性也可以用碳化硅衬底，但价格较高，貌似用的人很少。由于采用的是二维平面结构导通，使其在封装的电气互联上可以与一些硅基封装技术进行结合使用。

GaN 高电子迁移率晶体管（www.shindengen.com）

值得说明的是虽然都是平面结构，但是GaN器件的运行有2种主要形式：D-Mode 和 E-Mode。Depletion-mode （D-mode）也叫耗散型，通常通过级联MOS架构运行。这种模式的GaN结构的Vt是负的长开状态，需要外加一个MOS管来实现长关状态（喂，MOS，水龙头没关，关一下水龙头）。

D-mode 级联架构利用低压Si MOS的开关带动整体的开关，故最大的优势在于驱动电路的电气规格是完全兼容Si MOS的，可用传统Si MOS的驱动线路，和0V/12V电平进行关/开的控制。但这样的级联需求给封装技术提出了挑战，因为需要保持两个芯片间连接最优化和最低的寄生电感，否则工作频率也无法提高，不能体现高效率了（水龙头拖拖拉拉关不好）。在这方面，安世半导体杨多克提出了特异性的铜夹片封装，完美解决了两个芯片的连接问题。另外，级联形式能够达到1200v，可以满足大量的工业级的电压需求。

Enhancement-mode GaN （E-mode）也叫增强型模式。E-mode与D-mode的区别主要是在门极增加了P型氮化镓外延层来实现关断控制，所以E-mode器件是长关形式，不需要搭配Si MOS来实现开关功能。然而，增强型结构的主要缺点在于栅极可靠性相对要低、耐压低，所以我们看到的大部分的E-mode产品都是针对低电压100-200V的应用。但随着氮化镓技术的进步，包括器件制作的质量和封装质量的提高，我们也看到氮化镓系统（GaN Systems）展示了通过车规认证耐压650V的产品。

E-mode增强型器件目前比D-mode有市场优势，特别是快充市场，都是E-mode器件的天下。

因为国内外主要几家提供代工服务的Foundry走的都是单管增强型的工艺路线，下游的电源管理IC厂商绝大部分也专注于单管增强型的方案，整个生态对该技术路线相对抱团，目前看单管增强型的产业链的技术迭代、成本优化会持续加强，中短期内有望成为主流技术路线。

然而，现有E-mode供应链也比较封闭。 目前全球氮化镓Foundry主要产能仅服务于一家企业，设计公司和产业链呈现强绑定的关系。Navitas作为全球出货量最大的硅基氮化镓器件公司，目前基本占用了台积电全部的氮化镓产能，其他客户很难再拿到产能。

现有供应链的“集中+封闭”导致该市场的集中度非常高，Navitas、Pi、英诺赛科三家掌握核心产能供给的企业驱动着市场，品牌的电源客户也难有其他的选择。

Navitas 650V GaN HEMT

由于E-mode氮化镓器件的驱动并不能直接照搬SiMOS驱动设计，因此对系统设计要求较高，方案层面具有很强的设计优化需求。因此，终端OEM与器件厂家两者需要互相充分理解，在研发层面互相配合迭代（要能一体化研发），才能搞定一个好的电源方案。

通过氮化镓器件、驱动电路和控制电路的研发充分协同，输出一个好的方案。同时，合封控制IC是有效降低系统寄生电感的方式，我们看到Power Integration和意法都针对这一技术方向开发了相关产品。

PI合封

ST合封

2021年，宽禁带半导体材料被正式写入“十四五规划”中，这就意味着这一产业将在未来的发展中获得国家层面的大力扶持，前景十分值得期待。

搞半导体，我们是认真的！