隨著綠色低碳戰(zhàn)略的不斷推進(jìn),提升能源利用效率和能源轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)成為各行各業(yè)的共識(shí),如何利用現(xiàn)代化新技術(shù)建成可循環(huán)的高效、高可靠性的能源網(wǎng)絡(luò),無(wú)疑是當(dāng)前各國(guó)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體成為市場(chǎng)聚焦的新賽道。根據(jù)Yole預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),2025年全球以半絕緣型襯底制備的GaN器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到20億美元,2019-2025年復(fù)合年均增長(zhǎng)率高達(dá)12%!其中,軍工和通信基站設(shè)備是GaN器件主要的應(yīng)用市場(chǎng),2025年市場(chǎng)規(guī)模分別為11.1億美元和7.31億美元;

全球以導(dǎo)電型碳化硅襯底制備的SiC器件市場(chǎng)規(guī)模到2025年將達(dá)到25.62億美元,2019- 2025年復(fù)合年均增長(zhǎng)率高達(dá)30%!其中,新能源汽車和光伏及儲(chǔ)能是SiC器件主要的應(yīng)用市場(chǎng), 2025年市場(chǎng)規(guī)模分別為15.53億美元和3.14億美元。

后摩爾時(shí)代:第三代半導(dǎo)體崛起

20世紀(jì)50年代以來(lái),以硅(Si)、鍺(Ge)為代的第一代半導(dǎo)體材料的出現(xiàn),取代了笨重的電子管,讓以集成電路為核心的微電子工業(yè)的發(fā)展和整個(gè)IT產(chǎn)業(yè)的飛躍。人們最常用的CPU、GPU等產(chǎn)品,都離不開(kāi)第一代半導(dǎo)體材料的功勞?？梢哉f(shuō)是由第一代半導(dǎo)體材料奠定了微電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。

然而由于硅材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場(chǎng)較低等原因,硅材料在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用受到諸多限制。因此,以砷化鎵(GaAs)為代表的第二代半導(dǎo)體材料開(kāi)始嶄露頭角,使半導(dǎo)體材料的應(yīng)用進(jìn)入光電子領(lǐng)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(shí),4G通信設(shè)備因?yàn)槭袌?chǎng)需求增量暴漲,也意味著第二代半導(dǎo)體材料為信息產(chǎn)業(yè)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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

筆者注意到,對(duì)于第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)各家半導(dǎo)體大廠的看法也重點(diǎn)集中在“高效”、“降耗”、“突破極限”等核心關(guān)鍵詞上。

安森美中國(guó)汽車OEM技術(shù)負(fù)責(zé)人吳桐博士告訴筆者:“第三代半導(dǎo)體優(yōu)異的材料特性可以突破硅基器件的應(yīng)用極限,同時(shí)帶來(lái)更好的性能,這也是未來(lái)功率半導(dǎo)體最主流的方向?！彼硎倦S著第三代半導(dǎo)體技術(shù)的普及,傳統(tǒng)成熟的行業(yè)設(shè)計(jì)都會(huì)有突破點(diǎn)和優(yōu)化的空間。

英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)應(yīng)用市場(chǎng)總監(jiān)程文濤則從能源角度談到,到2025年,全球可再生能源發(fā)電量有望超過(guò)燃煤發(fā)電量,將推動(dòng)第三代半導(dǎo)體器件的用量迅速增長(zhǎng)。在用電端,由于數(shù)據(jù)中心、5G通信等場(chǎng)景用電量巨大,節(jié)電降耗的重要性凸顯,也將成為率先采用第三代半導(dǎo)體器件做大功率轉(zhuǎn)換的應(yīng)用領(lǐng)域。

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

和前兩代半導(dǎo)體材料相比,更寬的禁帶寬度允許材料在更高的溫度、更強(qiáng)的電壓與更快的開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)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(dǎo)體材料相繼出現(xiàn),世界各國(guó)陸續(xù)布局、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程快速崛起。具體來(lái)看:

與硅相比, 碳化硅擁有更為優(yōu)越的電氣特性:

1.耐高壓:擊穿電場(chǎng)強(qiáng)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(dǎo)通損耗;

2.耐高溫:半導(dǎo)體器件在較高的溫度下,會(huì)產(chǎn)生載流子的本征激發(fā)現(xiàn)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(guò)300℃,而碳化硅器件的極限工作溫度可以達(dá)到600℃以上。同時(shí),碳化硅的熱導(dǎo)率比硅更高,高熱導(dǎo)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(duì)散熱的設(shè)計(jì)要求更低,有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)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(shí)現(xiàn)更高的工作頻率和更高的功率密度?；谶@些優(yōu)良的特性,碳化硅襯底的使用極限性能優(yōu)于硅襯底,可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應(yīng)用需求,已應(yīng)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(dǎo)率、耐高電壓、耐高溫、抗腐蝕、耐輻照等突出優(yōu)點(diǎn)。尤其是在光電子器件領(lǐng)域,氮化鎵器件作為L(zhǎng)ED照明光源已廣泛應(yīng)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?yán)走_(dá)、無(wú)線電通信、基站、衛(wèi)星等軍事 或者民用領(lǐng)域;氮化鎵也可用于功率器件,其比傳統(tǒng)器件具有更低的電源損耗。

產(chǎn)業(yè)技術(shù)瓶頸亟待突破

半導(dǎo)體行業(yè)有個(gè)說(shuō)法:“一代材料,一代技術(shù),一代產(chǎn)業(yè)”,在第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)?；霈F(xiàn)之前,也還存在著不少亟待解決的技術(shù)難題。

第三代半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)謴?fù)雜,包括襯底→外延→設(shè)計(jì)→制造→封裝。其中,襯底是所有半導(dǎo)體芯片的底層材料,起到物理支撐、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等作用;外延是在襯底材料上生長(zhǎng)出新的半導(dǎo)體晶層,這些外延層是制造半導(dǎo)體芯片的重要原料,影響器件的基本性能;設(shè)計(jì)包括器件設(shè)計(jì)和集成電路設(shè)計(jì),其中器件設(shè)計(jì)包括半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、材料,與外延相關(guān)性很大;制造需要通過(guò)光刻、薄膜沉積、刻蝕等復(fù)雜工藝流程在外延片上制作出設(shè)計(jì)好的器件結(jié)構(gòu)和電路;封裝是指將制造好的晶圓切割成裸芯片。

前兩個(gè)環(huán)節(jié)襯底和外延生長(zhǎng)正是第三代半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝及其難點(diǎn)所在。我們重點(diǎn)挑選碳化硅、氮化鎵兩種典型的第三代半導(dǎo)體材料來(lái)看,它們的生產(chǎn)制備到底還面臨哪些問(wèn)題。

從碳化硅來(lái)看,還需要“降低襯底生長(zhǎng)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(yùn)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(guò)機(jī)械加工整形、切片、研磨、拋光等化學(xué)機(jī)械拋光和清洗等工藝才能成為襯底材料。

這一機(jī)械、化學(xué)制造過(guò)程存在著加工困難、制造效率低、制造成本高等問(wèn)題。此外,如果再加上考慮單晶加工的效率和成本問(wèn)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(zhì)量(粗糙度、劃傷等)是否過(guò)關(guān)等,這都是碳化硅襯底制備中的巨大挑戰(zhàn)。

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(jī)械加工主要以金剛石磨料為基礎(chǔ)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(zhǎng)工具壽命、提高加工質(zhì)量,往往會(huì)采用微量或極低速進(jìn)給量,這就犧牲了碳化硅材料制備的整體生產(chǎn)效率。

對(duì)于氮化鎵來(lái)說(shuō),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(zhǎng)時(shí)“氮”的離解壓很高,很難得到大尺寸的氮化鎵單晶材料,當(dāng)前大多數(shù)商業(yè)器件是基于異質(zhì)外延的,比如藍(lán)寶石、AlN、SiC和Si材料襯底來(lái)替代氮化鎵器件的襯底。

但問(wèn)題是這些異質(zhì)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(shù)差異會(huì)導(dǎo)致氮化鎵襯底和外延層界面處的高密度位錯(cuò)缺陷,嚴(yán)重的話還會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)穿透影響外延層的晶體質(zhì)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(diǎn)。

在落地到利用第三代半導(dǎo)體材料去解決具體問(wèn)題時(shí),程文濤告訴OFweek維科網(wǎng)·電子工程,英飛凌的碳化硅器件所采用的溝槽式結(jié)構(gòu)解決了大多數(shù)功率開(kāi)關(guān)器件的可靠性問(wèn)題。

比如現(xiàn)在大多數(shù)功率開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)品采用的是平面結(jié)構(gòu),難以在開(kāi)關(guān)的效率上和長(zhǎng)期可靠性上得到平衡。采用平面結(jié)構(gòu),如果要讓器件的效率提高,給它加點(diǎn)電,就能導(dǎo)通得非常徹底,那么它的門級(jí)就需要做得非常薄,這個(gè)很薄的門級(jí)結(jié)構(gòu),在長(zhǎng)期運(yùn)行的時(shí)候,或者在大批量運(yùn)用的時(shí)候,就容易產(chǎn)生可靠性的問(wèn)題。

如果要把它的門級(jí)做的相對(duì)比較厚,就沒(méi)辦法充分利用溝道的導(dǎo)通性能。而采用溝槽式的做法就能夠很好地解決這兩個(gè)問(wèn)題。

吳桐博士則從產(chǎn)業(yè)化的角度提出,第三代半導(dǎo)體技術(shù)的難點(diǎn)在于有關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)和量產(chǎn)能力的協(xié)調(diào),以及對(duì)長(zhǎng)期可靠性的保障。尤其是量產(chǎn)的良率,更需要持續(xù)性的優(yōu)化,降低成本,提升可靠性。

取代硅基半導(dǎo)體還需解決成本難題

觀察當(dāng)前半導(dǎo)體市場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn),占據(jù)市場(chǎng)九成以上的份額的主流產(chǎn)品依然是硅基芯片。

但近些年來(lái),“摩爾定律面臨失效危機(jī)”的聲音不絕于耳,隨著芯片設(shè)計(jì)越來(lái)越先進(jìn),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(yè)界也因此不斷發(fā)出質(zhì)疑,未來(lái)芯片的發(fā)展極限到底在哪,一旦硅基芯片達(dá)到極限點(diǎn),又該從哪個(gè)方向下手尋求芯片效能的提升呢?筆者通過(guò)采訪發(fā)現(xiàn),國(guó)內(nèi)外廠商在面對(duì)這一問(wèn)題時(shí),雖然都表達(dá)出第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)未來(lái)值得期待,但也齊齊提到在這背后還需要重點(diǎn)解決的成本問(wèn)題。

“目前硅基半導(dǎo)體從架構(gòu)上、從可靠性、從性能的提升等方面,基本上已經(jīng)接近了物理極限。第三代半導(dǎo)體將接棒硅基半導(dǎo)體,持續(xù)降低導(dǎo)通損耗,在能源轉(zhuǎn)換的領(lǐng)域作出貢獻(xiàn),”程文濤也為筆者描述了當(dāng)前市場(chǎng)上的一種現(xiàn)象:可能會(huì)存在一些定價(jià)接近硅基半導(dǎo)體的第三代半導(dǎo)體器件,但并不代表它的成本就接近硅基半導(dǎo)體。因?yàn)槟鞘且环N商業(yè)行為,就是通過(guò)低定價(jià)來(lái)催生這個(gè)市場(chǎng)。

以目前的工藝來(lái)講,第三代半導(dǎo)體的成本還是遠(yuǎn)高于硅基半導(dǎo)體,程文濤表示:“至少在可見(jiàn)的將來(lái),第三代半導(dǎo)體不會(huì)完全取代第一代半導(dǎo)體。因?yàn)閺男詢r(jià)比的角度來(lái)說(shuō),在非常寬的應(yīng)用范圍中,硅基半導(dǎo)體目前依然是不二之選。第三代半導(dǎo)體目前在商業(yè)化上的瓶頸就是成本很高,雖然在迅速下降,但依然遠(yuǎn)高于硅基半導(dǎo)體?！?/p>

作為中國(guó)碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)化的倡導(dǎo)者之一,泰科天潤(rùn)同樣也表示對(duì)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的看好。

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

從器件的角度來(lái)看,碳化硅從四寸過(guò)度到六寸,未來(lái)往八寸甚至十二寸發(fā)展,碳化硅器件的成本也將大幅度下降。據(jù)泰科天潤(rùn)介紹,公司新的碳化硅六寸線于去年就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量出貨,為客戶提供更高性價(jià)比的產(chǎn)品,有些產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)20-30%的降價(jià)幅度。除此之外,泰科天潤(rùn)耗時(shí)1年多成功開(kāi)發(fā)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(jìn)一步為客戶提供性價(jià)比更高的產(chǎn)品。

泰科天潤(rùn)還告訴筆者:“這兩年隨著國(guó)外友商的缺貨或漲價(jià),比如一些高壓硅器件,這些領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)碳化硅取代硅的現(xiàn)象。隨著碳化硅晶圓6寸產(chǎn)線生產(chǎn)技術(shù)的成熟,8寸晶圓的發(fā)展,碳化硅器件有望與硅基器件達(dá)到相同的價(jià)格水平。”

吳桐博士認(rèn)為,目前來(lái)看在不同的細(xì)分市場(chǎng),第三代半導(dǎo)體跟硅基器件是一個(gè)很好的互補(bǔ),也是價(jià)錢vs性能的一個(gè)平衡。隨著第三代半導(dǎo)體的成熟以及成本的降低,最終會(huì)慢慢取代硅基產(chǎn)品成為主流方案。

那么對(duì)于企業(yè)而言,該如何發(fā)揮第三代半導(dǎo)體的綜合優(yōu)勢(shì)呢?吳桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保證穩(wěn)定的供應(yīng)鏈,可長(zhǎng)期規(guī)劃的產(chǎn)能布局以及達(dá)到客觀的投資回報(bào)率;其次是在技術(shù)研發(fā)上繼續(xù)發(fā)力,比如Rsp等參數(shù),相比行業(yè)水準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)用更小的半導(dǎo)體面積實(shí)現(xiàn)相同功能,這樣單個(gè)器件成本得以優(yōu)化;第三是持續(xù)地提升FE/BE良率,等效的降低成本;第四是與行業(yè)大客戶共同開(kāi)發(fā)定義新產(chǎn)品,保證競(jìng)爭(zhēng)力以及穩(wěn)定的供需關(guān)系;最后也是重要的一點(diǎn),要幫助行業(yè)共同成長(zhǎng),蛋糕做大,產(chǎn)能做強(qiáng),才能使得單價(jià)有進(jìn)一步下降的空間。

百億市場(chǎng)空間!三大領(lǐng)域加速爆發(fā)

第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)究竟掀起了多大的風(fēng)口?根據(jù)《2020“新基建”風(fēng)口下第三代半導(dǎo)體應(yīng)用發(fā)展與投資價(jià)值白皮書(shū)》內(nèi)容:2019年我國(guó)第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模為94.15億元,預(yù)計(jì)2019-2022年將保持85%以上平均增長(zhǎng)速度,到2022年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到623.42億元。

其中,第三代半導(dǎo)體襯底市場(chǎng)規(guī)模從7.86億元增長(zhǎng)至15.21億元,年復(fù)合增速為24.61%,半導(dǎo)體器件市場(chǎng)規(guī)模從86.29億元增長(zhǎng)至608.21億元,年復(fù)合增速為91.73%。

得益于第三代半導(dǎo)體材料的優(yōu)良特性,它在光電子、電力電子、通訊射頻等領(lǐng)域尤為適用。具體來(lái)看:

光電子器件包括發(fā)光二極管、激光器、探測(cè)器、光子集成電路等,多用于5G通信領(lǐng)域,場(chǎng)景包括半導(dǎo)體照明、智能照明、光纖通信、光無(wú)線通信、激光顯示、高密度存儲(chǔ)、光復(fù)印打印、紫外預(yù)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(lǐng)域,場(chǎng)景包括消費(fèi)電子、新能源汽車、工業(yè)、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(lǐng)域,不過(guò)場(chǎng)景則更加高端,包括通訊基站及終端、衛(wèi)星通訊、軍用雷達(dá)等。

現(xiàn)階段,歐美日韓等國(guó)第三代半導(dǎo)體企業(yè)已形成規(guī)?；瘍?yōu)勢(shì),占據(jù)全球市場(chǎng)絕大多數(shù)市場(chǎng)份額。我國(guó)高度重視第三代半導(dǎo)體發(fā)展,在研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化方面出臺(tái)了一系列支持政策。國(guó)家科技部、工信部等先后開(kāi)展了“戰(zhàn)略性第三代半導(dǎo)體材料項(xiàng)目部署”等十余個(gè)專項(xiàng),大力支持第三代半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

早在2014年,工信部發(fā)布的《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》提出設(shè)立國(guó)家產(chǎn)業(yè)投資基金,重點(diǎn)支持集成電路等產(chǎn)業(yè)發(fā)展,促進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí),同時(shí)鼓勵(lì)社會(huì)各類風(fēng)險(xiǎn)投資和股權(quán)投資基金進(jìn)入集成電路領(lǐng)域;在去年全國(guó)人大發(fā)布《中華人民共和國(guó)國(guó)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》中,進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)培育先進(jìn)制造業(yè)集群,推動(dòng)集成電路、航空航天等產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。瞄準(zhǔn)人工智能、量子信息、集成電路等前沿領(lǐng)域,實(shí)施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國(guó)家重大科技項(xiàng)目。

具體來(lái)看當(dāng)前主要應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展情況:

1.新能源汽車

新能源汽車行業(yè)是未來(lái)市場(chǎng)空間巨大的新興市場(chǎng),全球范圍內(nèi)新能源車的普及趨勢(shì)明朗。隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展,對(duì)功率半導(dǎo)體器件需求量日益增加,成為功率半導(dǎo)體器件新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。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(jí)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已經(jīng)比較普遍。對(duì)于非車載充電樁產(chǎn)品, 由于成本的原因,目前使用比例還相對(duì)較低,但部分廠商已開(kāi)始利用碳化硅器件的優(yōu)勢(shì),通過(guò)降低冷卻等系統(tǒng)的整體成本找到了市場(chǎng)。

2.光伏

光伏逆變器曾普遍采用硅器件,經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展,轉(zhuǎn)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(kāi)關(guān)頻率、高適用性、降低系統(tǒng)散熱要求等優(yōu)點(diǎn),將在光伏新能源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如,在住宅和商業(yè)設(shè)施光伏系統(tǒng)中的組串逆變器里,碳化硅器件在系統(tǒng)級(jí)層面帶來(lái)成本和效能的好處。

3.軌道交通

未來(lái)軌道交通對(duì)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(tǒng)。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(kāi)始替代部分硅IGBT模塊。未來(lái)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(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

4.智能電網(wǎng)

目前碳化硅器件已經(jīng)在中低壓配電網(wǎng)開(kāi)始了應(yīng)用。未來(lái)更高電壓、更大容量、更低損耗的柔性輸變電將對(duì)萬(wàn)伏級(jí)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(wǎng)的主要應(yīng)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(kuò)產(chǎn),國(guó)內(nèi)緊追其后

第三代半導(dǎo)體自從在2021年被列入十四五規(guī)劃后,相關(guān)概念持續(xù)升溫,迅速成為超級(jí)風(fēng)口,投資熱度高居不下。

時(shí)常會(huì)聽(tīng)到業(yè)內(nèi)說(shuō)法稱,第三代半導(dǎo)體國(guó)內(nèi)外都是同一起跑線出發(fā),目前大家差距相對(duì)不大,整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍處于爆發(fā)前的“搶跑”階段,對(duì)國(guó)內(nèi)而言第三代半導(dǎo)體材料更是有望成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的“突圍先鋒”,但事實(shí)真的是這樣嗎?

從起步時(shí)間來(lái)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(shù)的最前沿,從30年前(1992年)開(kāi)始包含碳化硅二極管在內(nèi)的功率半導(dǎo)體的研發(fā),在2001年發(fā)布了世界上第一款商業(yè)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(yōu)異的碳化硅功率器件。除了產(chǎn)品本身,英飛凌在2018年收購(gòu)了Siltectra,致力于通過(guò)冷切割技術(shù)優(yōu)化工藝流程,大幅提高對(duì)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)布局中的佼佼者,據(jù)筆者了解,安森美通過(guò)收購(gòu)上游碳化硅供應(yīng)企業(yè)GTAT實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)鏈的垂直整合,確保產(chǎn)能和質(zhì)量的穩(wěn)定。同時(shí)借助安森美多年的技術(shù)積累以及幾年前收購(gòu)Fairchild半導(dǎo)體基因帶來(lái)的技術(shù)補(bǔ)充,安森美的碳化硅技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入第三代,綜合性能在業(yè)界處于領(lǐng)先地位。目前已成為世界上少數(shù)提供從襯底到模塊的端到端碳化硅方案供應(yīng)商,包括碳化硅球生長(zhǎng)、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(shù)上,北京大學(xué)教授、寬禁帶半導(dǎo)體研究中心主任沈波也曾提出,國(guó)內(nèi)第三代半導(dǎo)體和國(guó)際上差距比較大,其中很重要的領(lǐng)域之一是碳化硅功率電子芯片。這一塊國(guó)際上已經(jīng)完成了多次迭代,雖然8英寸技術(shù)還沒(méi)投入量產(chǎn),但是6英寸已經(jīng)是主流技術(shù),二極管已經(jīng)發(fā)展到了第五代,三極管也發(fā)展到了第三代,IGBT也已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入前期。

另外車規(guī)級(jí)的碳化硅MOSFET模塊在意法半導(dǎo)體率先通過(guò)以后,包括羅姆、英飛凌、科銳等國(guó)際巨頭也已通過(guò)認(rèn)證,國(guó)際上車規(guī)級(jí)的碳化硅芯片正逐漸走向規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用。反觀國(guó)內(nèi),目前真正量產(chǎn)的主要還是碳化硅二極管,工業(yè)級(jí)MOSFET模塊估計(jì)到明年才能實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn),車規(guī)級(jí)碳化硅模塊要等待更長(zhǎng)時(shí)間才能量產(chǎn)。

泰科天潤(rùn)也直言,國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域仍處于后發(fā)追趕階段:器件方面,從二極管的角度,國(guó)產(chǎn)碳化硅二極管基本上水平和國(guó)外差距不大,但是碳化硅MOSFET國(guó)內(nèi)外差距還是有至少1-2代的差距;可靠性方面,國(guó)外碳化硅產(chǎn)品市場(chǎng)應(yīng)用推廣較早,積累了更加豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),對(duì)產(chǎn)品可靠性的認(rèn)知,定義以及關(guān)聯(lián)解決可靠性的方式都走得更前一些,國(guó)內(nèi)廠家也在推廣市場(chǎng)的過(guò)程中逐步積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn);產(chǎn)業(yè)鏈方面,國(guó)外廠家針對(duì)碳化硅的材料優(yōu)勢(shì),相關(guān)匹配的產(chǎn)業(yè)鏈都做了對(duì)應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),使之能更加契合的體現(xiàn)碳化硅的材料優(yōu)勢(shì)。

OFweek維科網(wǎng)·電子工獲悉,泰科天潤(rùn)在湖南新建的碳化硅6寸晶圓產(chǎn)線,第一期60000片/六寸片/年。此產(chǎn)線已經(jīng)于去年實(shí)現(xiàn)批量出貨,2022年始至4月底已經(jīng)接到上億元銷售訂單。作為國(guó)內(nèi)最早從事碳化硅芯片生產(chǎn)研發(fā)的公司,泰科天潤(rùn)積累了10余年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),針對(duì)特定領(lǐng)域可以結(jié)合自身的研發(fā),生產(chǎn)和工藝一體化,快速為客戶開(kāi)發(fā)痛點(diǎn)新品,例如公司全球首創(chuàng)的史上最小650V1A SOD123,專門針對(duì)解決自舉驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)替換高壓小電流Si FRD解決反向恢復(fù)的痛點(diǎn)問(wèn)題而設(shè)計(jì)。

雖然說(shuō)IDM方面,我國(guó)在碳化硅器件設(shè)計(jì)方面有所欠缺,少有廠商涉及于此,但后發(fā)追趕者也不在少數(shù)。

就拿碳化硅產(chǎn)業(yè)來(lái)看,單晶襯底方面國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了6英寸導(dǎo)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(dá)、河北同光、中科節(jié)能均已完成6英寸襯底的研發(fā),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(huán)節(jié)我國(guó)也涌現(xiàn)了大批優(yōu)秀的企業(yè),包括三安集成、海威華芯、泰科天潤(rùn)、中車時(shí)代、世紀(jì)金光、芯光潤(rùn)澤、深圳基本、國(guó)揚(yáng)電子、士蘭微、揚(yáng)杰科技、瞻芯電子、天津中環(huán)、江蘇華功、大連芯冠、聚力成半導(dǎo)體等等。

寫在最后

OFweek維科網(wǎng)·電子工程認(rèn)為,隨著我國(guó)對(duì)新型基礎(chǔ)建設(shè)的布局展開(kāi)和“雙碳”目標(biāo)的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半導(dǎo)體的作用也愈發(fā)凸顯。

上有國(guó)家支持政策,下有新能源汽車、5G通信等旺盛市場(chǎng)需求,我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也開(kāi)始由“導(dǎo)入期”向“成長(zhǎng)期”過(guò)渡,初步形成從材料、器件到應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈。但美中不足在于整體技術(shù)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(yīng)用等環(huán)節(jié)的核心關(guān)鍵技術(shù)和可靠性、一致性等工程化應(yīng)用問(wèn)題上還需進(jìn)一步完善優(yōu)化。

當(dāng)前,全球正處于新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵期,第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)作為新一代電子信息技術(shù)中的重點(diǎn)組成部分,為能源革命帶來(lái)了深刻的改變。