摩爾定律正在走入死胡同。

摩爾定律其實(shí)不是一條物理定律，而是一個(gè)早期通過觀察發(fā)現(xiàn)的行業(yè)發(fā)展規(guī)律，后來由人為力量堅(jiān)強(qiáng)推動(dòng)的產(chǎn)業(yè)進(jìn)步周期。在這中間，靠的不是一兩個(gè)偶然發(fā)現(xiàn)的技術(shù)突破，而是源源不斷的新材料、新工藝和新技術(shù)的突破，讓處理器的發(fā)展得以繼續(xù)。

半導(dǎo)體行業(yè)有“一代材料、一代技術(shù)、 一代產(chǎn)業(yè)”的說法。新的材料技術(shù)仿佛有“四兩撥千斤”的魔力，輕輕松松帶來顛覆性變革。

后摩爾時(shí)代，具有先天性能優(yōu)勢(shì)的寬禁帶半導(dǎo)體材料脫穎而出。

天生自帶高光

寬禁帶半導(dǎo)體指的是禁帶寬度大于2.2eV的半導(dǎo)體材料，而當(dāng)前主流的半導(dǎo)體材料硅的禁帶寬度是大約是1.12eV（eV即電子伏特，能量單位，表示一個(gè)電子經(jīng)過1V的電位差加速后所獲的動(dòng)能）。

禁帶寬度直接決定著器件的耐壓和最高工作溫度。寬禁帶半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、飽和電子漂移速度高、熱導(dǎo)率大、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，因此擁有這些性能優(yōu)勢(shì)：耐高壓、耐高溫、大功率、導(dǎo)電性能強(qiáng)、工作速度快、工作損耗低，速度快，開關(guān)頻率高，非常適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件。

寬禁帶半導(dǎo)體（也稱第三代半導(dǎo)體）主要指以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料。

隨著第一二代半導(dǎo)體工藝接近物理極限，微電子領(lǐng)域的摩爾定律慢慢開始失效。受疫情后期汽車、工業(yè)和移動(dòng)通信等行業(yè)市場(chǎng)需求反彈因素推動(dòng)，再加上“碳中和”概念倡導(dǎo)及相關(guān)政策支持，2021年，第三代半導(dǎo)體的成長動(dòng)能有望持續(xù)上升。據(jù)Yole數(shù)據(jù)顯示，到2020年底，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體的全球市場(chǎng)將增長到 8.54 億美元，其中，碳化硅（SiC ）市場(chǎng)規(guī)模約為 7.03 億美元，氮化鎵（GaN）市場(chǎng)規(guī)模約為1.5億美元。到2025年碳化硅（SiC）市場(chǎng)規(guī)模將超過30億美元，氮化鎵（GaN）市場(chǎng)規(guī)模將超過6.8億美元。

節(jié)能減排，碳中和的篤行者

當(dāng)特斯拉為了行駛里程僅5%的提升，不惜以成本高幾倍的代價(jià)率先全面采用碳化硅時(shí)，這種新材料在新能源汽車及配套領(lǐng)域的應(yīng)用潛力就得到了驗(yàn)證，為將節(jié)能視為首要需求的行業(yè)樹立了一塊樣板。

在整個(gè)能源轉(zhuǎn)換鏈中，寬禁帶半導(dǎo)體的節(jié)能潛力可為實(shí)現(xiàn)長期的全球節(jié)能目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。寬禁帶技術(shù)將推動(dòng)電力電子器件提高效率、提高密度、縮小尺寸、減輕重量、降低總成本，因此將在數(shù)據(jù)中心、智能樓宇、個(gè)人電子設(shè)備等應(yīng)用場(chǎng)景中為能效提升作出貢獻(xiàn)。

讓應(yīng)用性能炸裂，怎么做到的？

從工程角度來看，SiC和GaN具有的優(yōu)勢(shì)主要有：

• 寬禁帶半導(dǎo)體具有卓越的dV/dt切換性能，這意味著開關(guān)損耗非常小。這使得高開關(guān)頻率(SiC為50 kHz至500 kHz，GaN為1 MHz以上)成為可能，結(jié)果有助于減小磁體體積，同時(shí)提升功率密度。

• 電感值、尺寸和重量能減少70%以上，同時(shí)還能減少電容數(shù)量，使最終轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量僅相當(dāng)于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的五分之一。

• 無源元件和機(jī)械部件(包括散熱器)的用量可節(jié)省約40%，增值部分則體現(xiàn)在控制電子IC上。

• 寬禁帶半導(dǎo)體對(duì)高結(jié)溫具有超高的耐受性，這種耐受性有助于提升功率密度，減少散熱問題。

在應(yīng)用上，SiC和GaN的優(yōu)勢(shì)是互補(bǔ)的。

SiC熱導(dǎo)率是GaN的三倍以上，在高溫應(yīng)用領(lǐng)域更有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)SiC單晶的制備技術(shù)相對(duì)更成熟，所以SiC功率器件的種類遠(yuǎn)多于GaN。但隨著GaN制造工藝在不斷進(jìn)步，在GaN-on-Si外延片上制造的GaN器件具有相當(dāng)?shù)偷某杀荆仍赟iC晶片上制造任何產(chǎn)品都更為容易。由于這些原因，GaN晶體管可能會(huì)成為2020年代后期逆變器中的首選，優(yōu)于較昂貴的SiC MOSFET。數(shù)據(jù)顯示，2023年全球GaN器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到224.7億美元。

GaN擁有更高的熱導(dǎo)率和更成熟的技術(shù)，而SiC直接躍遷、高電子遷移率和飽和電子速率、成本更低的優(yōu)點(diǎn)則使其擁有更快的研發(fā)速度。兩者的不同優(yōu)勢(shì)決定了應(yīng)用范圍上的差異。GaN的市場(chǎng)應(yīng)用偏向高頻小電力領(lǐng)域，集中在1000V以下；而SiC適用于1200V以上的高溫大電力領(lǐng)域。兩者的應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了新能源汽車、光伏、機(jī)車牽引、智能電網(wǎng)、節(jié)能家電、通信射頻等大多數(shù)具有廣闊發(fā)展前景的新興應(yīng)用市場(chǎng)。

SiC借新能源汽車出圈

SiC最大的應(yīng)用市場(chǎng)來自汽車。SiC比硅更薄、更輕、更小巧，市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域偏向1000V以上的中高壓范圍。與傳統(tǒng)解決方案相比，基于SiC的解決方案使系統(tǒng)效率更高、重量更輕及結(jié)構(gòu)更加緊湊。

在電動(dòng)汽車中，SiC功率半導(dǎo)體主要用于驅(qū)動(dòng)和控制電機(jī)的逆變器、車載充電器和快速充電樁。對(duì)于逆變器而言，800V高壓運(yùn)行架構(gòu)下的SiC功率半導(dǎo)體比傳統(tǒng)硅器件的整體系統(tǒng)效率高8%。SiC功率半導(dǎo)體也使得散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡單，機(jī)電結(jié)構(gòu)的空間更小。對(duì)于車載充電和快速充電樁，SiC功率半導(dǎo)體與傳統(tǒng)硅器件相比，在充電過程中減少了能量損失，也減少了所需的電容和電感的數(shù)量。

2017年12月，羅姆為VENTURI車隊(duì)在電動(dòng)汽車全球頂級(jí)賽事“FIAFormula E”錦標(biāo)賽中提供了采用全SiC功率模塊制造的逆變器，使逆變器尺寸下降了43%，重量減輕了6kg。

SiC行業(yè)龍頭Cree預(yù)計(jì)到2022年，SiC在電動(dòng)車用市場(chǎng)空間將快速增長到24億美元，是2017年車用SiC整體收入（700萬美元）的342倍。

GaN憑PD快充上位

GaN功率器件應(yīng)用于低電壓、高頻的電力管控，在消費(fèi)類電子領(lǐng)域具有極其廣闊的應(yīng)用前景。特別是基于其工作頻率高、動(dòng)態(tài)損耗小、導(dǎo)通電阻低以及耐高溫、發(fā)熱量低的優(yōu)異性能，極適合作為開關(guān)電源應(yīng)用，為各種消費(fèi)類電子終端提供綠色高效電源。

2020年，小米在發(fā)布會(huì)上官宣發(fā)布65W氮化鎵USB PD快充充電器，讓氮化鎵充電器一夜之間成為“網(wǎng)紅”。而OPPO、華為等手機(jī)大廠也紛紛入局氮化鎵充電器。

采用氮化鎵技術(shù)的充電器比傳統(tǒng)的硅技術(shù)充電器體積縮小 30% - 50%，重量減少 15% - 30%，整體效率提升 10% - 20%。在相同體積和輸出功率下，溫度也會(huì)比硅基更低。

目前，氮化鎵快充技術(shù)已經(jīng)逐步覆蓋到了平板電腦、筆記本電腦、顯示器、新能源汽車、電動(dòng)工具、IoT設(shè)備等七大市場(chǎng)。除了手機(jī)廠商之外，筆電廠商也已陸續(xù)進(jìn)入氮化鎵快充市場(chǎng)，聯(lián)想、戴爾、LG等品牌均基于氮化鎵功率器件推出了高效的大功率快充配件，而新產(chǎn)品相較于傳統(tǒng)的筆記本適配器體積大大縮小，一臺(tái)65W以上容量的快充，可滿足筆記本、手機(jī)和平板電腦的充電需求。第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟聯(lián)盟認(rèn)為，氮化鎵快充將在未來幾年迎來發(fā)展的巔峰，市場(chǎng)容量十分可觀。

GaN：5G的寵兒

5G將帶來半導(dǎo)體材料革命性的變化，隨著通訊頻段向高頻遷移，基站及通信設(shè)備對(duì)射頻器件高頻性能的要求也在不斷提高。GaN射頻器件與傳統(tǒng)的硅橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（Si-LDMOS）和GaAs器件相比，具有更高工作電壓、更高功率、更高效率、高功率密度，更高工作溫度和更耐輻射能力的優(yōu)勢(shì)，5G所需要的多重載波聚合以及基站的功率放大器，GaN都可以占據(jù)一席之地，通吃5G的上下游產(chǎn)業(yè)鏈。

在5G的關(guān)鍵技術(shù)Massive MIMO應(yīng)用中，基站收發(fā)信機(jī)上使用大數(shù)量（如32/64等）的陣列天線實(shí)現(xiàn)更大的無線數(shù)據(jù)流量和連接可靠性，這種架構(gòu)需要相應(yīng)的射頻收發(fā)單元陣列配套。因此射頻器件的數(shù)量將大為增加，利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)高集化的解決方案，如模塊化射頻前端器件。

5G基站密度和基站數(shù)量也會(huì)大為增加，相比3G、4G時(shí)代，5G時(shí)代的射頻器件將會(huì)以幾十倍、甚至上百倍的數(shù)量增加，因此成本的控制非常關(guān)鍵，隨著硅基氮化鎵技術(shù)的成熟，它能以最大的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)取得市場(chǎng)的突破。

在5G毫米波應(yīng)用上，GaN的高功率密度特性在實(shí)現(xiàn)相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下，可有效減少收發(fā)通道數(shù)及整體方案的尺寸，實(shí)現(xiàn)性能成本的最優(yōu)化組合。

隨著新基建的實(shí)施，從高階高端的雷達(dá)、電子對(duì)抗、導(dǎo)航和空間通信等軍事電子裝備應(yīng)用到5G基站、物聯(lián)網(wǎng)、激光雷達(dá)、無人駕駛汽車毫米波雷達(dá)、人工智能以及通用固態(tài)射頻功率源等寬廣的民用領(lǐng)域，GaN有望重塑射頻技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的新格局。

根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，GaN 射頻市場(chǎng)將從 2018 年的 6.45 億美元增長到 2024 年的約 20 億美元。

大規(guī)模落地有什么障礙

雖然GaN和SiC等寬禁帶半導(dǎo)體正在快速增長中，但它們的發(fā)展還是面臨著許多挑戰(zhàn)的。

成本，這是所有新技術(shù)在推廣初期都會(huì)遇到的問題，據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，目前SiC MOSFET器件的每安培成本受制于上游晶圓產(chǎn)能不足、晶圓缺陷面積較大等原因，價(jià)格是硅的5-10倍。這主要是由于下游應(yīng)用目前大多處在研發(fā)階段，還沒有形成批量產(chǎn)業(yè)化，尤其是在國內(nèi)。功率GaN還是一個(gè)充滿競(jìng)爭(zhēng)的領(lǐng)域，對(duì)其成本要求比較高，需要與硅材料比拼成本、性能，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展還不夠成熟。

SiC晶錠的制作比硅低效很多，而且SiC晶圓的尺寸迭代與硅相比仍處于早期階段，最近ST剛剛宣布制造出8英寸SiC晶圓。Cree、ST等主流廠商都已經(jīng)量產(chǎn)6英寸晶圓，并同步進(jìn)行8英寸的研發(fā)，計(jì)劃最早于2022年量產(chǎn)8英寸晶圓。單片8英寸晶圓芯片產(chǎn)量可達(dá)到6英寸的1.8倍，但同時(shí)也面臨著缺陷密度變高等難題。

為了充分利用SiC器件的功率和性能，必須對(duì)封裝進(jìn)行顯著改進(jìn)。因?yàn)镾iC器件的尺寸要小得多，因此，必須優(yōu)化分立封裝和模塊的熱性能，為此需要改進(jìn)粘晶材料(die attach materials)和方法，這需要直接散熱和/或雙面散熱的方案。

寬禁帶功率半導(dǎo)體面臨的技術(shù)難題還有很多，如襯底材料的完整性、外延層及歐姆接觸的質(zhì)量、工藝穩(wěn)定性、器件可靠性以及成本控制等，寬禁帶功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化的難度比外界想象的要大很多。

硅基技術(shù)的攪局者，還是顛覆者？

目前關(guān)于寬禁帶半導(dǎo)體未來發(fā)展空間的討論很熱，觀點(diǎn)大致分為兩個(gè)方向：

激進(jìn)派

“寬禁帶半導(dǎo)體材料，可以被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，且具備眾多的優(yōu)良性能，可突破第一、二代半導(dǎo)體材料的發(fā)展瓶頸，故被市場(chǎng)看好的同時(shí)，隨著技術(shù)的發(fā)展有望全面取代第一、二代半導(dǎo)體材料?！?br>

保守派

“寬禁帶半導(dǎo)體是對(duì)硅材料的有益補(bǔ)充，硅做不到的高頻可以通過氮化鎵來做，硅做不到的高壓可以通過碳化硅來做。這種補(bǔ)充和提升，是寬禁帶半導(dǎo)體在后摩爾時(shí)代的主要價(jià)值?！薄皩捊麕О雽?dǎo)體”并不比“第一代”先進(jìn)。第三代半導(dǎo)體目前還是一個(gè)小眾市場(chǎng)，主要作為補(bǔ)充市場(chǎng)，當(dāng)今半導(dǎo)體市場(chǎng)90%仍然是以硅材料為代表的第一代半導(dǎo)體，第二代、第三代加起來不過10%?！?br>

個(gè)人認(rèn)為，目前硅材料占市場(chǎng)絕對(duì)比例只是客觀事實(shí)，寬禁帶半導(dǎo)體未來絕對(duì)可期。

中外差距不止“半步”

今年3月12日，《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》已將推動(dòng)“碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展”寫入了“科技前沿領(lǐng)域攻關(guān)”部分。

有觀點(diǎn)認(rèn)為，“寬禁帶半導(dǎo)體”，全球基本處在同一起跑線上，中國可能只差半步。碳化硅、氮化鎵行業(yè)被認(rèn)為是中國半導(dǎo)體業(yè)“變道超車”的機(jī)會(huì)。

還有多位人士稱，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈相比硅基更能自主可控。核心原因在于，不需要那么高精尖的制程。

此外，它們對(duì)于EDA工具的要求也同樣沒有那么高。一位碳化硅專家表示，現(xiàn)在碳化硅、氮化鎵半導(dǎo)體還停留在分立器件、獨(dú)立器件層面，不是大規(guī)模集成電路，不需要依賴那么多復(fù)雜的EDA功能。

另外，發(fā)展“第三代半導(dǎo)體”需要的投入與硅基的半導(dǎo)體相比，投資規(guī)模更小。硅基半導(dǎo)體建制造廠都是幾百億起，而“第三代半導(dǎo)體”只要10億元就可建起一個(gè)一般規(guī)模的制造廠。

但逐本溯源，寬禁帶半導(dǎo)體仍將受制于更底層的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。碳化硅的基礎(chǔ)材料，如高純的碳粉和硅粉，中國在提純技術(shù)上有差距；而在碳化硅設(shè)備里，中國缺乏高純的石墨坩堝技術(shù)；生產(chǎn)器件，光刻機(jī)、光刻膠也是個(gè)問題。氮化鎵也面臨類似問題。

此外，中國寬禁帶半導(dǎo)體在產(chǎn)業(yè)生態(tài)的成熟度上與國外的差距還很明顯，落后程度更甚于技術(shù)層面。革命尚未成功，同志仍需努力。