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(chǎn)生富電子及富空穴的區(qū)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(xiàn)出導通電流和非導通電流的狀態(tài)，從而實現(xiàn)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(guān)需求，因此我們使用的電子產(chǎn)品都是以硅基為基礎(chǔ)的晶體管。經(jīng)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?shù)谋扔鳎拖窦依锏乃堫^，小的水龍頭開關(guān)可以快點精準控制，而水庫的水龍頭開關(guān)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(guān)不利索了，要么開關(guān)不牢，有滴漏現(xiàn)象，要么產(chǎn)生的電路串擾讓損耗加大，無法連續(xù)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(yōu)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(xiàn)硅材料難以實現(xiàn)的功能，也能在部分與硅材料交叉的領(lǐng)域達到更高的性能和更低的系統(tǒng)性成本，被視為后摩爾時代材料創(chuàng)新的關(guān)鍵角色。

【插句題外話，十幾年前在硅所看人燒碳化硅結(jié)構(gòu)陶瓷的時候，誰能想到這玩意現(xiàn)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(jié)構(gòu)實現(xiàn)硅基無法實現(xiàn)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(xiàn)比硅小得多的電阻。SiC的結(jié)構(gòu)跟IGBT的結(jié)構(gòu)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(shù)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(fā)展到現(xiàn)在也經(jīng)歷了幾代器件結(jié)構(gòu)，跟硅的趨勢很類似，門極也在漸漸減小，從平面結(jié)構(gòu)開始向溝槽結(jié)構(gòu)發(fā)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(fā)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(lǐng)域電力電子中的關(guān)鍵技術(shù)。

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(jié)構(gòu)通常可以用硅基或藍寶石，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(jié)構(gòu)導通，使其在封裝的電氣互聯(lián)上可以與一些硅基封裝技術(shù)進行結(jié)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(jié)構(gòu)，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(lián)MOS架構(gòu)運行。這種模式的GaN結(jié)構(gòu)的Vt是負的長開狀態(tài)，需要外加一個MOS管來實現(xiàn)長關(guān)狀態(tài)（喂，MOS，水龍頭沒關(guān)，關(guān)一下水龍頭）。

D-mode 級聯(lián)架構(gòu)利用低壓Si MOS的開關(guān)帶動整體的開關(guān)，故最大的優(yōu)勢在于驅(qū)動電路的電氣規(guī)格是完全兼容Si MOS的，可用傳統(tǒng)Si MOS的驅(qū)動線路，和0V/12V電平進行關(guān)/開的控制。但這樣的級聯(lián)需求給封裝技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，因為需要保持兩個芯片間連接最優(yōu)化和最低的寄生電感，否則工作頻率也無法提高，不能體現(xiàn)高效率了（水龍頭拖拖拉拉關(guān)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(lián)形式能夠達到1200v，可以滿足大量的工業(yè)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(qū)別主要是在門極增加了P型氮化鎵外延層來實現(xiàn)關(guān)斷控制，所以E-mode器件是長關(guān)形式，不需要搭配Si MOS來實現(xiàn)開關(guān)功能。然而，增強型結(jié)構(gòu)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(chǎn)品都是針對低電壓100-200V的應用。但隨著氮化鎵技術(shù)的進步，包括器件制作的質(zhì)量和封裝質(zhì)量的提高，我們也看到氮化鎵系統(tǒng)（GaN Systems）展示了通過車規(guī)認證耐壓650V的產(chǎn)品。

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

因為國內(nèi)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(tài)對該技術(shù)路線相對抱團，目前看單管增強型的產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)迭代、成本優(yōu)化會持續(xù)加強，中短期內(nèi)有望成為主流技術(shù)路線。

然而，現(xiàn)有E-mode供應鏈也比較封閉。 目前全球氮化鎵Foundry主要產(chǎn)能僅服務于一家企業(yè)，設(shè)計公司和產(chǎn)業(yè)鏈呈現(xiàn)強綁定的關(guān)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(chǎn)能，其他客戶很難再拿到產(chǎn)能。

現(xiàn)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(chǎn)能供給的企業(yè)驅(qū)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(qū)動并不能直接照搬SiMOS驅(qū)動設(shè)計，因此對系統(tǒng)設(shè)計要求較高，方案層面具有很強的設(shè)計優(yōu)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(fā)層面互相配合迭代（要能一體化研發(fā)），才能搞定一個好的電源方案。

通過氮化鎵器件、驅(qū)動電路和控制電路的研發(fā)充分協(xié)同，輸出一個好的方案。同時，合封控制IC是有效降低系統(tǒng)寄生電感的方式，我們看到Power Integration和意法都針對這一技術(shù)方向開發(fā)了相關(guān)產(chǎn)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(guī)劃”中，這就意味著這一產(chǎn)業(yè)將在未來的發(fā)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！