今天聊聊半導體——寬禁帶的：）

半導體，通常指硅基的半導體材料，這類材料可以通過摻雜產生富電子及富空穴的區域（自行修讀半導體物理），而在外部電場的影響下，能使材料表現出導通電流和非導通電流的狀態，從而實現邏輯功能或0/1控制。

普通的硅基材料能滿足IC電路大部分的開關需求，因此我們使用的電子產品都是以硅基為基礎的晶體管。經常聽到的幾nm的概念就是晶體管的尺寸。那么，為什么晶體管需要越做越小呢？打個不那么恰當的比喻，就像家里的水龍頭，小的水龍頭開關可以快點精準控制，而水庫的水龍頭開關不但相對較慢，而且需要耗費很多能量。

但硅基的水龍頭有局限性，在高頻下切換開關不利索了，要么開關不牢，有滴漏現象，要么產生的電路串擾讓損耗加大，無法連續運作。這個時候，寬禁帶半導體就跳出來了——來來來，水往我這里來。。。

以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶（也有被稱為第三代）半導體憑借優異的物理特性，天然適合制作高壓、高頻、高功率的半導體器件。可以說，寬禁帶半導體能實現硅材料難以實現的功能，也能在部分與硅材料交叉的領域達到更高的性能和更低的系統性成本，被視為后摩爾時代材料創新的關鍵角色。

【插句題外話，十幾年前在硅所看人燒碳化硅結構陶瓷的時候，誰能想到這玩意現在會紅火，只知道很硬，課題組的小吳同學大部分時間貌似都在又切又磨。當然，我們這里說的碳化硅是單晶，燒出來的碳化硅陶瓷是多晶體。扯遠了，拉回來】

碳化硅（SiC）基半導體跟硅基的運作方式類似，但是由于禁帶較寬，可以用很薄的電子漂移層結構實現硅基無法實現的導通行為和抗高壓擊穿能力。因此，碳化硅器件通常都比硅器件小，也可以用更薄的晶圓，從而在導通時實現比硅小得多的電阻。SiC的結構跟IGBT的結構和工作原理也很類似，電流都是通過垂直導通模式留過芯片。相對而言，我們接觸的IC則是平面導通，因此在封裝連接技術上，功率半導體的封裝類型和需求也有別于IC，使其在封裝家族中形成獨特的風景線。

SiC MOSFET （www.shindengen.com）

SiC發展到現在也經歷了幾代器件結構，跟硅的趨勢很類似，門極也在漸漸減小，從平面結構開始向溝槽結構發展，除了器件本身減小之外，電性能也得到提升。碳化硅主要針對的是高壓應用，可以使用于1200V以上的耐壓需求，例如車載充電，光伏發電，水力和風電等。由于碳化硅適合汽車電氣化和綠色電力能源，也被認為是碳中和領域電力電子中的關鍵技術。

氮化鎵（GaN）則與SiC不同，電子只在AlGaN保護的GaN外延層導通，有點像波導。而做為襯底結構通?？梢杂霉杌蛩{寶石，為了增加導熱性也可以用碳化硅襯底，但價格較高，貌似用的人很少。由于采用的是二維平面結構導通，使其在封裝的電氣互聯上可以與一些硅基封裝技術進行結合使用。

GaN 高電子遷移率晶體管（www.shindengen.com）

值得說明的是雖然都是平面結構，但是GaN器件的運行有2種主要形式：D-Mode 和 E-Mode。Depletion-mode （D-mode）也叫耗散型，通常通過級聯MOS架構運行。這種模式的GaN結構的Vt是負的長開狀態，需要外加一個MOS管來實現長關狀態（喂，MOS，水龍頭沒關，關一下水龍頭）。

D-mode 級聯架構利用低壓Si MOS的開關帶動整體的開關，故最大的優勢在于驅動電路的電氣規格是完全兼容Si MOS的，可用傳統Si MOS的驅動線路，和0V/12V電平進行關/開的控制。但這樣的級聯需求給封裝技術提出了挑戰，因為需要保持兩個芯片間連接最優化和最低的寄生電感，否則工作頻率也無法提高，不能體現高效率了（水龍頭拖拖拉拉關不好）。在這方面，安世半導體楊多克提出了特異性的銅夾片封裝，完美解決了兩個芯片的連接問題。另外，級聯形式能夠達到1200v，可以滿足大量的工業級的電壓需求。

Enhancement-mode GaN （E-mode）也叫增強型模式。E-mode與D-mode的區別主要是在門極增加了P型氮化鎵外延層來實現關斷控制，所以E-mode器件是長關形式，不需要搭配Si MOS來實現開關功能。然而，增強型結構的主要缺點在于柵極可靠性相對要低、耐壓低，所以我們看到的大部分的E-mode產品都是針對低電壓100-200V的應用。但隨著氮化鎵技術的進步，包括器件制作的質量和封裝質量的提高，我們也看到氮化鎵系統（GaN Systems）展示了通過車規認證耐壓650V的產品。

E-mode增強型器件目前比D-mode有市場優勢，特別是快充市場，都是E-mode器件的天下。

因為國內外主要幾家提供代工服務的Foundry走的都是單管增強型的工藝路線，下游的電源管理IC廠商絕大部分也專注于單管增強型的方案，整個生態對該技術路線相對抱團，目前看單管增強型的產業鏈的技術迭代、成本優化會持續加強，中短期內有望成為主流技術路線。

然而，現有E-mode供應鏈也比較封閉。 目前全球氮化鎵Foundry主要產能僅服務于一家企業，設計公司和產業鏈呈現強綁定的關系。Navitas作為全球出貨量最大的硅基氮化鎵器件公司，目前基本占用了臺積電全部的氮化鎵產能，其他客戶很難再拿到產能。

現有供應鏈的“集中+封閉”導致該市場的集中度非常高，Navitas、Pi、英諾賽科三家掌握核心產能供給的企業驅動著市場，品牌的電源客戶也難有其他的選擇。

Navitas 650V GaN HEMT

由于E-mode氮化鎵器件的驅動并不能直接照搬SiMOS驅動設計，因此對系統設計要求較高，方案層面具有很強的設計優化需求。因此，終端OEM與器件廠家兩者需要互相充分理解，在研發層面互相配合迭代（要能一體化研發），才能搞定一個好的電源方案。

通過氮化鎵器件、驅動電路和控制電路的研發充分協同，輸出一個好的方案。同時，合封控制IC是有效降低系統寄生電感的方式，我們看到Power Integration和意法都針對這一技術方向開發了相關產品。

PI合封

ST合封

2021年，寬禁帶半導體材料被正式寫入“十四五規劃”中，這就意味著這一產業將在未來的發展中獲得國家層面的大力扶持，前景十分值得期待。

搞半導體，我們是認真的！