第三代半導體正確打開方式指南
近幾年，電動汽車、5G通信等概念的興起，帶動了不少投資人對半導體產業的關注。特別是最近中興事件的爆發，更是讓中國重新把半導體行業的發展推到了風口浪尖(為什麼說重新呢？因為在我國半導體行業發展歷史中，無論是功率半導體還是集成電路半導體的問題總是在爆發國際關係危機時被重視起來)。筆者作為寬禁帶（第三代）半導體12年的科研者，被投資界朋友們紛紛問起這樣那樣的問題，藉此機會希望給感興趣的朋友普及一下到底什麼是第三代半導體。
第三代半導體是什麼
首先，本文將要討論的是處理能源的半導體晶元。由貿易戰推到封口浪尖的數字信息處理晶元不在本文的導論範圍中。
第三代半導體是一個射頻器件對半導體材料的劃分。射頻器件專家們將硅材料視為第一代半導體、砷化鎵和磷化銦視為第二代半導體、氮化鎵和碳化硅視為第三代半導體。新一代的半導體材料較老一代的半導體材料在微波射頻領域擁有更大的功率密度、更高的截止頻率等優勢。如美軍在韓國部署的薩德雷達，就大量使用X波段的氮化鎵射頻器件。所以，三代半其實一直是一個微波（射頻）領域的概念。對於數字集成電路（CPU，內存，固體硬碟，DSP等） 而言，硅材料的統治地位從來沒有改變過……
用於射頻器件及高亮LED的透明碳化硅襯底
第三代半導體的商業應用
在射頻應用有優勢的第三代半導體——碳化硅和氮化鎵材料，當應用在（電力電子）功率半導體器件時，也能給電源設備等系統帶來更高的效率和更大的功率密度。正因如此，「三代半」所帶來的影響祭奠了比第二代半導體更加深遠的地位。碳化硅和氮化鎵材料撬動了一個龐大的傳統市場——功率半導體市場，這是一個幾乎無所不在的電源管理應用市場。它包含幾乎所有設備的充放電適配器（如手機、電腦伺服器、通信基站等）、工業電機驅動（如高鐵、自動化機械手臂、電動車等）、新能源併網與電力傳輸（如光伏逆變系統、超高壓柔性直流輸電系統）、以及軍工應用（如電磁炮、電磁彈射系統）。
碳化硅從原材料製作到應用過程示意圖
碳化硅生長---->碳化硅晶錠---->切磨拋---->外延生長---->前道工藝---->後道工藝Level 0---->裸晶元---->後道工藝 Level 1---->封裝---->功率模塊
半導體應用的預言家
提到這些，自然就不得不說道一位神級人物——B. Jayant Baliga。他提出了一種衡量半導體材料作為功率器件是否具有優勢的判據，叫Baliga"s Figure of Merit-----BFM巴黎噶品質因數。
B.J. Baliga（左）作為IGBT發明者接受美國總統奧巴馬（右）頒發的獎章
1980年代，Baliga使用這個BFM因數，預言了碳化硅材料做出來的功率器件將比硅材料具有更高的功率密度，即：同樣的晶元大小和導通電阻，碳化硅器件的耐壓可以比硅器件高10倍（限於單極性器件）。因此，碳化硅必將取代傳統硅材料功率器件。Baliga的預言，也從2000年開始逐漸成為現實。
「三代半」的發展歷程
2000年初，隨著碳化硅材料的生長和加工技術不斷發展，世界上終於出現了可以大面積使用的碳化硅襯底。由於發現碳化硅材料中，空穴和電子複合時產生藍色的光芒，從而誕生了第一代藍光LED技術。但是由於碳化硅是間接帶隙能帶，材料中電子空穴複合需要藉助其他條件（聲子），發光效率很低。後來，發現了直接帶隙的氮化鎵，藍光LED的發光效率才得到了提高。
2001年第一款商業化的碳化硅二極體器件從德國英飛凌公司誕生。從此以後，碳化硅功率器件的發展一發不可收拾。
「三代半」之碳化硅
英飛凌的第一款商業化的碳化硅二極體，標誌著碳化硅功率器件在可靠性、製造成本上都達到了工業應用的標準。這個裡程碑標示著工業應用中，除了需要更低的成本，更有著對可靠性和壽命的嚴格要求----一般工業應用都要求>20年的壽命。這是普通消費電子2~3年換一次的電子產品（如手機）的可靠性不能比擬的。雖然碳化硅二極體比普通硅二極體更為昂貴，但是其極低的反向恢複電荷，大大的減小了PFC電源的功耗、體積、重量和系統成本，同時使得碳化硅未來的市場中將佔領主導地位。
什麼是PFC電源？
PFC電源是用於AC-DC電流變換中的功率因數矯正，使輸入端的電壓電流相位基本持平（相位差夾角對應cos(φ)>0.9或者>0.95），避免朝電網注入諧波，干擾電網工作。很多國家的法律規定，大於一定功耗（某些國家是70W）的AC-DC電源必須有PFC功能。最常見的PFC電源就是筆記本電腦和伺服器的電源。
最常用的PFC電源是一個boost升壓電路，主要由一組全橋二極體（50~60Hz低頻），一個CoolMOS開關，和一個碳化硅二極體（SiC Diode）組成。CoolMOS和SiC Diode可以在很高的頻率（>100Hz）下開關，使得經過負載電容濾波後的電壓穩定在一個較高的直流電壓上。這是近十幾年碳化硅二極體商業應用最成功的案例之一。
常見的AC-DC電源的PFC級電路
隨著碳化硅和氮化鎵技術的發展，自2006年開始，以CREE為首的各大公司，逐漸開始嘗試碳化硅和氮化鎵功率開關器件的商業化，並使得圖騰柱（totem pole）等拓撲結構的PFC電路成為可能（之前不能使用圖騰柱拓撲的原因是CoolMOS具有很大的輸出電容和極大的體二極體反向恢複電荷）。使用碳化硅或者氮化鎵的圖騰柱PFC電源，具有更高的效率和更小的體積。
傳統電源與圖騰柱PFC電源的比較：1/4的體積，1/6的重量
圖騰柱PFC的電路拓撲
除了PFC，近幾年電動汽車的興起，帶動了「三代半」在汽車領域的應用。主要的應用就是電動汽車的電池管理系統（BMS，包含AC/DC，PFC，DC/DC）和 電機控制單元（MCU，包含DC/DC，DC/AC），同時也應用在了各種充電樁設備上。
電動汽車的電力系統
在傳統的電力電子系統中，這些電路的半導體器件主要是硅器件的天下。這些硅器件包含VDMOS(400V以下應用)，CoolMOS（600-900V應用），和IGBT（600-3300V應用）。隨著一個個應用的突破，碳化硅的應用場景逐漸成熟，成為更可靠，更輕便，更省能的必然趨勢，其需求量逐年增加，2017年起全面爆發，並持續處於缺貨狀態。
「三代半之氮化鎵」
氮化鎵晶圓片
聊完了碳化硅，咱們來說說氮化鎵。氮化鎵一直是微波射頻領域備受追捧的新材料。氮化鎵的襯底材料很難生長，所以它主要通過在異質襯底上做外延生長得到。由於碳化硅與氮化鎵的晶格適配較小，氮化鎵材料很自然的可以在碳化硅襯底上生長出高質量的外延。這就為氮化鎵高亮LED和應用在射頻功率放器的氮化鎵HEMT器件打下了基礎。
氮化鎵在射頻應用的優勢，與氮化鎵系列材料在界面處形成的二維電子氣（2DEG）有關。二維電子氣2DEG是晶格應力突變的地方由於壓電效應產生的量子井形成的。當本徵GaN與摻有鋁原子的AlxGa1-xN材料被順序生長時，兩種材料的界面處就產生了二維電子氣。這種生長方法，使得材料在沒有任何注入或者擴散工藝的情況下，在極為狹窄的區域得到很高濃度的等效摻雜。由於沒有電離原子造成的散射，電子在2DEG的平面內的遷移率和漂移速度非常高。由於這些原因，GaN器件在外延形成後的加工過程非常簡單：只需要完成鈍化保護和歐姆接觸，剩下的工作就只有金屬化和布線工作了。這也使得GaN HEMT器件的工藝與傳統CMOS工藝可以很好地兼容。同樣也是加工簡單的原因，許多高校願意做GaN的科研工作，實驗簡單發表文章相對容易。這也間接導致了近十年催生出來了那麼多的GaN創業公司。
GaN材料在LED和射頻領域都有得天獨厚的優勢。作為LED材料，GaN發光效率高（直接帶隙材料）。作為射頻器件，GaN HEMT極高的導電性能和較強的耐壓能力，使得其具有很大的功率密度和截止頻率。然而，在功率器件的應用中，GaN HEMT的定位卻非常尷尬……
希望在讀完本篇文章後，小夥伴們會對半導體的大致分類有所了解，與朋友在茶餘飯後談起第三代半導體能hold住全場話題。
在下一篇文章中我們將會對比一下碳化硅與氮化鎵的投資趨勢與功能對比。
三代半鍊金術師----Marth
寬禁帶（第三代）半導體12年的科研者，掌握大量"三代半"半導體設計及配方，發布過20餘款產品，承擔和參與了碳化硅相關科研近10項，總科研經費超過6000萬人民幣，發表相關科技論文10餘篇，總引用200餘次，2項美國專利。
希望為中國的功率器件半導體發展做出薄弱貢獻。
歡迎大家留言交流！
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