如何化解第三代半导体的应用痛点

在集成电路和分立器件领域，硅始终是应用最广泛、技术最成熟的半导体材料，但硅材料技术的成熟恰恰意味着难以突破瓶颈。为了打破固有屏障，半导体产业进一步深入对新材料、新工艺、新架构的探索。凭借着在功率、射频应用中的显著性能优势，第三代半导体逐渐显露出广阔的应用前景和市场发展潜力。

所谓第三代半导体，即禁带宽度大于或等于2.3eV的半导体材料，又称宽禁带半导体。常见的第三代半导体材料主要包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氮化铝（AIN）、氧化锌（ZnO）和金刚石等，其中又以碳化硅和氮化镓材料技术的发展最为成熟。与第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料通常具备更宽的禁带宽度、更高的击穿场强、更高的热导率，电子饱和速率和抗辐射能力也更胜一筹，在高温、高压、高频、高功率等严苛环境下，依然能够保证性能稳定。

图1：第三代半导体的材料特性（图源：STMicroelectronics）

从应用领域来看，第三代半导体材料广泛应用于射频器件、光电器件、功率器件等领域。以功率半导体市场为例，据TrendForce集邦咨询报告，在新能源汽车、光伏储能、智能电网等市场需求拉动下，预计2025年第三代半导体功率市场规模将增至47.1亿美元，年复合增长率高达45%。从下游细分市场来看，由于材料性能不尽相同，碳化硅与氮化镓在应用场景上也略有差异。碳化硅具备更高的热导率，主要面向新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等高压、高功率应用；而氮化镓则以其更高的电子迁移率，高频特性较好，广泛应用于PD快充、新能源充电桩、5G通信等领域。

图2：碳化硅及氮化镓应用优势领域（图源：英飞凌）

整体而言，碳化硅、氮化镓器件市场已经初具规模，在功率和射频应用领域完成了对硅基半导体器件的初步替代。但由于材料制备技术、器件制造与封装工艺、动静态测试、驱动设计优化以及可靠性等问题尚未完全解决，导致第三代半导体器件的性能大打折扣，无法完全发挥其材料本身的优势。关键技术不成熟、成本居高不下，第三代半导体器件自然难以实现更大规模的商业化落地。下面我们就从碳化硅、氮化镓器件的应用痛点出发，梳理一下国际大厂是如何攻克这些难题的。

优化封装技术突破开关性能限制

与硅功率半导体相比，碳化硅功率器件拥有更快的开关速度、更小尺寸和更低损耗，有望在诸多应用中取代IGBT。然而受限于传统封装技术，碳化硅功率器件的性能优势难以完全得到发挥。传统封装形式通常采用TO-247N，栅极引脚和源极引脚的寄生电感将会与寄生电容发生振荡，从而使MOSFET导通所需的栅极电压降低，导通速度减慢。为此，一些厂商正在寻求更完善的封装方案，以优化器件性能，进一步挖掘碳化硅器件潜力。

贸泽电子在售的来自制造商ROHM Semiconductor的SCT3080KW7TL，是一款7引脚SiC功率MOSFET。SCT3080KW7TL采用了TO-263-7L表贴封装，将电源源极与驱动器源极引脚分离开，可提供独立于电源的驱动器源，有效消除了导通时源极电感对栅极电压的影响。导通时，电流变化时间缩减，导通损耗降低；关断时，寄生电感减少，关断损耗也相应降低。此外，SCT3080KW7TL专有的沟槽式栅极结构将导通电阻降低了50%，输入电容降低了35%。

图3：SiC MOSFET平面结构与沟槽结构性能比较（图源：罗姆）