隨著綠色低碳戰略的不斷推進,提升能源利用效率和能源轉換效率已經成為各行各業的共識,如何利用現代化新技術建成可循環的高效、高可靠性的能源網絡,無疑是當前各國重點關注的問題。

值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導體成為市場聚焦的新賽道。根據Yole預測數據,2025年全球以半絕緣型襯底制備的GaN器件市場規模將達到20億美元,2019-2025年復合年均增長率高達12%!其中,軍工和通信基站設備是GaN器件主要的應用市場,2025年市場規模分別為11.1億美元和7.31億美元;

全球以導電型碳化硅襯底制備的SiC器件市場規模到2025年將達到25.62億美元,2019- 2025年復合年均增長率高達30%!其中,新能源汽車和光伏及儲能是SiC器件主要的應用市場, 2025年市場規模分別為15.53億美元和3.14億美元。

后摩爾時代:第三代半導體崛起

20世紀50年代以來,以硅(Si)、鍺(Ge)為代的第一代半導體材料的出現,取代了笨重的電子管,讓以集成電路為核心的微電子工業的發展和整個IT產業的飛躍。人們最常用的CPU、GPU等產品,都離不開第一代半導體材料的功勞。可以說是由第一代半導體材料奠定了微電子產業的基礎。

然而由于硅材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場較低等原因,硅材料在光電子領域和高頻高功率器件方面的應用受到諸多限制。因此,以砷化鎵(GaAs)為代表的第二代半導體材料開始嶄露頭角,使半導體材料的應用進入光電子領域,尤其是在紅外激光器和高亮度的紅光二極管方面。與此同時,4G通信設備因為市場需求增量暴漲,也意味著第二代半導體材料為信息產業打下了堅實基礎。

在第二代半導體材料的基礎上,人們希望半導體元器件具備耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻射、導電性能更強、工作速度更快、工作損耗更低特性,第三代半導體材料也正是基于這些特性而誕生。

筆者注意到,對于第三代半導體產業各家半導體大廠的看法也重點集中在“高效”、“降耗”、“突破極限”等核心關鍵詞上。

安森美中國汽車OEM技術負責人吳桐博士告訴筆者:“第三代半導體優異的材料特性可以突破硅基器件的應用極限,同時帶來更好的性能,這也是未來功率半導體最主流的方向?！彼硎倦S著第三代半導體技術的普及,傳統成熟的行業設計都會有突破點和優化的空間。

英飛凌科技電源與傳感系統事業部大中華區應用市場總監程文濤則從能源角度談到,到2025年,全球可再生能源發電量有望超過燃煤發電量,將推動第三代半導體器件的用量迅速增長。在用電端,由于數據中心、5G通信等場景用電量巨大,節電降耗的重要性凸顯,也將成為率先采用第三代半導體器件做大功率轉換的應用領域。

第三代半導體材料區別于前兩代半導體材料最大的區別就在于帶隙的不同。第一代半導體材料屬于間接帶隙,窄帶隙;第二代半導體材料屬于直接帶隙,同樣也是窄帶隙;二第三代半導體材料則是全組分直接帶隙,寬禁帶。

和前兩代半導體材料相比,更寬的禁帶寬度允許材料在更高的溫度、更強的電壓與更快的開關頻率下運行。

隨著碳化硅、氮化鎵等具有寬禁帶特性(Eg>2.3eV)的新興半導體材料相繼出現,世界各國陸續布局、產業化進程快速崛起。具體來看:

與硅相比, 碳化硅擁有更為優越的電氣特性:

1.耐高壓:擊穿電場強度大,是硅的10倍,用碳化硅制備器件可以極大地 提高耐壓容量、工作頻率和電流密度,并大大降低器件的導通損耗;

2.耐高溫:半導體器件在較高的溫度下,會產生載流子的本征激發現象,造成器件失效。禁帶寬度越大,器件的極限工作溫度越高。碳化硅的禁帶接近硅的3倍,可以保證碳化硅器件在高溫條件下工作的可靠性。硅器件的極限工作溫度一般不能超過300℃,而碳化硅器件的極限工作溫度可以達到600℃以上。同時,碳化硅的熱導率比硅更高,高熱導率有助于碳化硅器件的散熱,在同樣的輸出功率下保持更低的溫度,碳化硅器件也因此對散熱的設計要求更低,有助于實現設備的小型化;

3.高頻性能:碳化硅的飽和電子漂移速率是硅的2倍,這決定了碳化硅器件可以實現更高的工作頻率和更高的功率密度?；谶@些優良的特性,碳化硅襯底的使用極限性能優于硅襯底,可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應用需求,已應用于射頻器件及功率器件。

氮化鎵則具有寬禁帶、高電子漂移速度、高熱導率、耐高電壓、耐高溫、抗腐蝕、耐輻照等突出優點。尤其是在光電子器件領域,氮化鎵器件作為LED照明光源已廣泛應用,還可制備成氮化鎵基激光器;在微波射頻器件方面,氮化鎵器件可用于有源相控陣雷達、無線電通信、基站、衛星等軍事 或者民用領域;氮化鎵也可用于功率器件,其比傳統器件具有更低的電源損耗。

產業技術瓶頸亟待突破

半導體行業有個說法:“一代材料,一代技術,一代產業”,在第三代半導體產業規?；霈F之前,也還存在著不少亟待解決的技術難題。

第三代半導體全產業鏈十分復雜,包括襯底→外延→設計→制造→封裝。其中,襯底是所有半導體芯片的底層材料,起到物理支撐、導熱、導電等作用;外延是在襯底材料上生長出新的半導體晶層,這些外延層是制造半導體芯片的重要原料,影響器件的基本性能;設計包括器件設計和集成電路設計,其中器件設計包括半導體器件的結構、材料,與外延相關性很大;制造需要通過光刻、薄膜沉積、刻蝕等復雜工藝流程在外延片上制作出設計好的器件結構和電路;封裝是指將制造好的晶圓切割成裸芯片。

前兩個環節襯底和外延生長正是第三代半導體生產工藝及其難點所在。我們重點挑選碳化硅、氮化鎵兩種典型的第三代半導體材料來看,它們的生產制備到底還面臨哪些問題。

從碳化硅來看,還需要“降低襯底生長缺陷,以及提高工藝效率”。首先碳化硅單晶制備目前最常用的是物理氣相輸運法(PVT)或籽晶的升華法,而碳化硅單晶在形成最終的短圓柱狀之前,還需要通過機械加工整形、切片、研磨、拋光等化學機械拋光和清洗等工藝才能成為襯底材料。

這一機械、化學制造過程存在著加工困難、制造效率低、制造成本高等問題。此外,如果再加上考慮單晶加工的效率和成本問題,那還能夠保障晶片具備良好的幾何形貌,如總厚度變化、翹曲度、變形,而且晶片表面質量(粗糙度、劃傷等)是否過關等,這都是碳化硅襯底制備中的巨大挑戰。

此外,碳化硅材料是目前僅次于金剛石硬度的材料,材料的機械加工主要以金剛石磨料為基礎切割線、切割刀具、磨削砂輪等工具。這些工具的制備難度大,使用壽命短,加工成本高,為了延長工具壽命、提高加工質量,往往會采用微量或極低速進給量,這就犧牲了碳化硅材料制備的整體生產效率。

對于氮化鎵來說,則更看重“襯底與外延材料需匹配”的難題。由于氮化鎵在高溫生長時“氮”的離解壓很高,很難得到大尺寸的氮化鎵單晶材料,當前大多數商業器件是基于異質外延的,比如藍寶石、AlN、SiC和Si材料襯底來替代氮化鎵器件的襯底。

但問題是這些異質襯底材料和氮化鎵之間的晶格失配和熱失配非常大,晶格常數差異會導致氮化鎵襯底和外延層界面處的高密度位錯缺陷,嚴重的話還會導致位錯穿透影響外延層的晶體質量。這也就是為什么氮化鎵更看重襯底與外延材料需匹配的難點。

在落地到利用第三代半導體材料去解決具體問題時,程文濤告訴OFweek維科網·電子工程,英飛凌的碳化硅器件所采用的溝槽式結構解決了大多數功率開關器件的可靠性問題。

比如現在大多數功率開關器件產品采用的是平面結構,難以在開關的效率上和長期可靠性上得到平衡。采用平面結構,如果要讓器件的效率提高,給它加點電,就能導通得非常徹底,那么它的門級就需要做得非常薄,這個很薄的門級結構,在長期運行的時候,或者在大批量運用的時候,就容易產生可靠性的問題。

如果要把它的門級做的相對比較厚,就沒辦法充分利用溝道的導通性能。而采用溝槽式的做法就能夠很好地解決這兩個問題。

吳桐博士則從產業化的角度提出,第三代半導體技術的難點在于有關設計技術和量產能力的協調,以及對長期可靠性的保障。尤其是量產的良率,更需要持續性的優化,降低成本,提升可靠性。

取代硅基半導體還需解決成本難題

觀察當前半導體市場可以發現,占據市場九成以上的份額的主流產品依然是硅基芯片。

但近些年來,“摩爾定律面臨失效危機”的聲音不絕于耳,隨著芯片設計越來越先進,芯片制造工藝不斷接近物理極限和工程極限,芯片性能提升也逐步放緩,且成本不斷上升。

業界也因此不斷發出質疑,未來芯片的發展極限到底在哪,一旦硅基芯片達到極限點,又該從哪個方向下手尋求芯片效能的提升呢?筆者通過采訪發現,國內外廠商在面對這一問題時,雖然都表達出第三代半導體產業未來值得期待,但也齊齊提到在這背后還需要重點解決的成本問題。

“目前硅基半導體從架構上、從可靠性、從性能的提升等方面,基本上已經接近了物理極限。第三代半導體將接棒硅基半導體,持續降低導通損耗,在能源轉換的領域作出貢獻,”程文濤也為筆者描述了當前市場上的一種現象:可能會存在一些定價接近硅基半導體的第三代半導體器件,但并不代表它的成本就接近硅基半導體。因為那是一種商業行為,就是通過低定價來催生這個市場。

以目前的工藝來講,第三代半導體的成本還是遠高于硅基半導體,程文濤表示:“至少在可見的將來,第三代半導體不會完全取代第一代半導體。因為從性價比的角度來說,在非常寬的應用范圍中,硅基半導體目前依然是不二之選。第三代半導體目前在商業化上的瓶頸就是成本很高,雖然在迅速下降,但依然遠高于硅基半導體?！?/p>

作為中國碳化硅功率器件產業化的倡導者之一,泰科天潤同樣也表示對第三代半導體產業發展的看好。

雖然碳化硅單價目前比硅高不少,但從系統整體的角度來看,可以節約電感電容以及散熱片。如果是大功率電源系統整體角度看成本未必更高,同時還能更好地提升效率。這也是為什么現階段雖然單器件碳化硅比硅貴,依然不少領域客戶已經批量使用了。

從器件的角度來看,碳化硅從四寸過度到六寸,未來往八寸甚至十二寸發展,碳化硅器件的成本也將大幅度下降。據泰科天潤介紹,公司新的碳化硅六寸線于去年就已經實現批量出貨,為客戶提供更高性價比的產品,有些產品實現20-30%的降價幅度。除此之外,泰科天潤耗時1年多成功開發了碳化硅減薄工藝,在Vf水平不變的情況下,可以縮小芯片面積,進一步為客戶提供性價比更高的產品。

泰科天潤還告訴筆者:“這兩年隨著國外友商的缺貨或漲價,比如一些高壓硅器件,這些領域已經出現碳化硅取代硅的現象。隨著碳化硅晶圓6寸產線生產技術的成熟,8寸晶圓的發展,碳化硅器件有望與硅基器件達到相同的價格水平?！?/p>

吳桐博士認為,目前來看在不同的細分市場,第三代半導體跟硅基器件是一個很好的互補,也是價錢vs性能的一個平衡。隨著第三代半導體的成熟以及成本的降低,最終會慢慢取代硅基產品成為主流方案。

那么對于企業而言,該如何發揮第三代半導體的綜合優勢呢?吳桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保證穩定的供應鏈,可長期規劃的產能布局以及達到客觀的投資回報率;其次是在技術研發上繼續發力,比如Rsp等參數,相比行業水準,實現用更小的半導體面積實現相同功能,這樣單個器件成本得以優化;第三是持續地提升FE/BE良率,等效的降低成本;第四是與行業大客戶共同開發定義新產品,保證競爭力以及穩定的供需關系;最后也是重要的一點,要幫助行業共同成長,蛋糕做大,產能做強,才能使得單價有進一步下降的空間。

百億市場空間!三大領域加速爆發

第三代半導體產業究竟掀起了多大的風口?根據《2020“新基建”風口下第三代半導體應用發展與投資價值白皮書》內容:2019年我國第三代半導體市場規模為94.15億元,預計2019-2022年將保持85%以上平均增長速度,到2022年市場規模將達到623.42億元。

其中,第三代半導體襯底市場規模從7.86億元增長至15.21億元,年復合增速為24.61%,半導體器件市場規模從86.29億元增長至608.21億元,年復合增速為91.73%。

得益于第三代半導體材料的優良特性,它在光電子、電力電子、通訊射頻等領域尤為適用。具體來看:

光電子器件包括發光二極管、激光器、探測器、光子集成電路等,多用于5G通信領域,場景包括半導體照明、智能照明、光纖通信、光無線通信、激光顯示、高密度存儲、光復印打印、紫外預警等;

電力電子器件包括碳化硅器件、氮化鎵器件,多用于新能源領域,場景包括消費電子、新能源汽車、工業、UPS、光伏逆變器等;

微波射頻器件包括HEMT(高電子遷移率晶體管)、MMIC(單片微波集成電路)等,同樣也是用在5G通信領域,不過場景則更加高端,包括通訊基站及終端、衛星通訊、軍用雷達等。

現階段,歐美日韓等國第三代半導體企業已形成規模化優勢,占據全球市場絕大多數市場份額。我國高度重視第三代半導體發展,在研發、產業化方面出臺了一系列支持政策。國家科技部、工信部等先后開展了“戰略性第三代半導體材料項目部署”等十余個專項,大力支持第三代半導體技術和產業發展。

早在2014年,工信部發布的《國家集成電路產業發展推進綱要》提出設立國家產業投資基金,重點支持集成電路等產業發展,促進工業轉型升級,同時鼓勵社會各類風險投資和股權投資基金進入集成電路領域;在去年全國人大發布《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中,進一步強調培育先進制造業集群,推動集成電路、航空航天等產業創新發展。瞄準人工智能、量子信息、集成電路等前沿領域,實施一批具有前瞻性、戰略性的國家重大科技項目。

具體來看當前主要應用領域的發展情況:

1.新能源汽車

新能源汽車行業是未來市場空間巨大的新興市場,全球范圍內新能源車的普及趨勢明朗。隨著電動汽車的發展,對功率半導體器件需求量日益增加,成為功率半導體器件新的經濟增長點。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在車載級的電機驅動器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已經比較普遍。對于非車載充電樁產品, 由于成本的原因,目前使用比例還相對較低,但部分廠商已開始利用碳化硅器件的優勢,通過降低冷卻等系統的整體成本找到了市場。

2.光伏

光伏逆變器曾普遍采用硅器件,經過40多年的發展,轉換效率和功率密度等已接近理論極限。碳化硅器件具有低損耗、高開關頻率、高適用性、降低系統散熱要求等優點,將在光伏新能源領域得到廣泛應用。例如,在住宅和商業設施光伏系統中的組串逆變器里,碳化硅器件在系統級層面帶來成本和效能的好處。

3.軌道交通

未來軌道交通對電力電子裝置,比如牽引變流器、電力電子電壓器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高這些裝置的功率密度和工作效率,有助于明顯減輕軌道交通的載重系統。目前,受限于碳化硅功率器件的電流容量,碳化硅混合模塊將首先開始替代部分硅IGBT模塊。未來隨著碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模塊將在軌道交通領域發揮更大的作用。

4.智能電網

目前碳化硅器件已經在中低壓配電網開始了應用。未來更高電壓、更大容量、更低損耗的柔性輸變電將對萬伏級以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能電網的主要應用包括高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器、電力電子變壓器等裝置中。

海外瘋狂擴產,國內緊追其后

第三代半導體自從在2021年被列入十四五規劃后,相關概念持續升溫,迅速成為超級風口,投資熱度高居不下。

時常會聽到業內說法稱,第三代半導體國內外都是同一起跑線出發,目前大家差距相對不大,整個產業發展仍處于爆發前的“搶跑”階段,對國內而言第三代半導體材料更是有望成為半導體產業的“突圍先鋒”,但事實真的是這樣嗎?

從起步時間來看,歐日美廠商率先積累專利布局,比如英飛凌一直走在碳化硅技術的最前沿,從30年前(1992年)開始包含碳化硅二極管在內的功率半導體的研發,在2001年發布了世界上第一款商業化碳化硅功率二極管,此后至今英飛凌不斷推出了各種性能優異的碳化硅功率器件。除了產品本身,英飛凌在2018年收購了Siltectra,致力于通過冷切割技術優化工藝流程,大幅提高對碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。

安森美也是第三代半導體產業布局中的佼佼者,據筆者了解,安森美通過收購上游碳化硅供應企業GTAT實現了產業鏈的垂直整合,確保產能和質量的穩定。同時借助安森美多年的技術積累以及幾年前收購Fairchild半導體基因帶來的技術補充,安森美的碳化硅技術已經進入第三代,綜合性能在業界處于領先地位。目前已成為世界上少數提供從襯底到模塊的端到端碳化硅方案供應商,包括碳化硅球生長、襯底、外延、器件制造、同類最佳的集成模塊和分立封裝方案。

具體到技術上,北京大學教授、寬禁帶半導體研究中心主任沈波也曾提出,國內第三代半導體和國際上差距比較大,其中很重要的領域之一是碳化硅功率電子芯片。這一塊國際上已經完成了多次迭代,雖然8英寸技術還沒投入量產,但是6英寸已經是主流技術,二極管已經發展到了第五代,三極管也發展到了第三代,IGBT也已進入產業導入前期。

另外車規級的碳化硅MOSFET模塊在意法半導體率先通過以后,包括羅姆、英飛凌、科銳等國際巨頭也已通過認證,國際上車規級的碳化硅芯片正逐漸走向規?；a和應用。反觀國內,目前真正量產的主要還是碳化硅二極管,工業級MOSFET模塊估計到明年才能實現規模量產,車規級碳化硅模塊要等待更長時間才能量產。

泰科天潤也直言,國內該領域仍處于后發追趕階段:器件方面,從二極管的角度,國產碳化硅二極管基本上水平和國外差距不大,但是碳化硅MOSFET國內外差距還是有至少1-2代的差距;可靠性方面,國外碳化硅產品市場應用推廣較早,積累了更加豐富的應用經驗,對產品可靠性的認知,定義以及關聯解決可靠性的方式都走得更前一些,國內廠家也在推廣市場的過程中逐步積累相關經驗;產業鏈方面,國外廠家針對碳化硅的材料優勢,相關匹配的產業鏈都做了對應的優化設計,使之能更加契合的體現碳化硅的材料優勢。

OFweek維科網·電子工獲悉,泰科天潤在湖南新建的碳化硅6寸晶圓產線,第一期60000片/六寸片/年。此產線已經于去年實現批量出貨,2022年始至4月底已經接到上億元銷售訂單。作為國內最早從事碳化硅芯片生產研發的公司,泰科天潤積累了10余年的生產經驗,針對特定領域可以結合自身的研發,生產和工藝一體化,快速為客戶開發痛點新品,例如公司全球首創的史上最小650V1A SOD123,專門針對解決自舉驅動電路已經替換高壓小電流Si FRD解決反向恢復的痛點問題而設計。

雖然說IDM方面,我國在碳化硅器件設計方面有所欠缺,少有廠商涉及于此,但后發追趕者也不在少數。

就拿碳化硅產業來看,單晶襯底方面國內已經開發出了6英寸導電性碳化硅襯底和高純半絕緣碳化硅襯底。山東天岳、天科合達、河北同光、中科節能均已完成6英寸襯底的研發,中電科裝備研制出6英寸半絕緣襯底。

此外,在模塊、器件制造環節我國也涌現了大批優秀的企業,包括三安集成、海威華芯、泰科天潤、中車時代、世紀金光、芯光潤澤、深圳基本、國揚電子、士蘭微、揚杰科技、瞻芯電子、天津中環、江蘇華功、大連芯冠、聚力成半導體等等。

寫在最后

OFweek維科網·電子工程認為,隨著我國對新型基礎建設的布局展開和“雙碳”目標的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半導體的作用也愈發凸顯。

上有國家支持政策,下有新能源汽車、5G通信等旺盛市場需求,我國第三代半導體產業也開始由“導入期”向“成長期”過渡,初步形成從材料、器件到應用的全產業鏈。但美中不足在于整體技術水平還落后世界頂尖水平好幾年,因此在材料、晶圓、封裝及應用等環節的核心關鍵技術和可靠性、一致性等工程化應用問題上還需進一步完善優化。

當前,全球正處于新一輪科技和產業革命的關鍵期,第三代半導體產業作為新一代電子信息技術中的重點組成部分,為能源革命帶來了深刻的改變。