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硅材料逼近物理極限,第三代半導體如何接棒?

在去年3月官方發(fā)布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》中,“集成電路”領域特別提出碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導體,也就是第三代半導體要取得長遠發(fā)展。

在政策扶持及資本普遍看好的情形下,隨著碳化硅進入新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈、氮化鎵在快充上的規(guī)?；瘧玫鹊?第三代半導體逐步進入消費端和工業(yè)端,在功率半導體領域開始嶄露頭角,并成為目前科技領域最熱門的話題之一。

第三代半導體目前究竟有多火,背后又還存在哪些技術挑戰(zhàn),從長遠角度來看還需要解決哪些痛點。帶著這些疑問,OFweek維科網(wǎng)·電子工程對話了英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)應用市場總監(jiān)程文濤,一起深度了解第三代半導體產(chǎn)業(yè)背后的發(fā)展邏輯。

英飛凌科技電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)應用市場總監(jiān) 程文濤

硅基半導體逼近物理極限,第三代半導體接棒

提起第三代半導體,就不得不先簡單介紹下第一、二代半導體。第一代半導體又可以被稱為初代半導體材料,主要以硅(Si)和鍺(Ge)為代表,目前大部分半導體是基于硅基半導體。第二代半導體材料主要以GaAs為代表,是4G時代的大部分通信設備的材料。第三代半導體則是進入5G時代以來的主要材料。

第一、二代半導體的硅與砷化鎵屬于低帶隙材料,數(shù)值分別為1.12 eV(電子伏特)和1.43 eV,而第三代(寬帶隙)半導體的帶隙,碳化硅和氮化鎵分別達到3.2eV、3.4eV,因此當遇到高溫、高壓、高電流時,跟一、二代比起來,第三代半導體不會輕易從絕緣變成導電,特性更穩(wěn)定,能源轉(zhuǎn)換也更好。

由于傳統(tǒng)工藝和硅材料逼近物理極限,技術研發(fā)費用劇增,制造節(jié)點的更新難度越來越大,“摩爾定律”演進開始放緩。第三代半導體材料是“超越摩爾定律”的重要發(fā)展內(nèi)容,也是未來半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

程文濤告訴OFweek維科網(wǎng)·電子工程,在功率轉(zhuǎn)換領域,無論是第一/第二代半導體,還是第三代半導體,它所做出的貢獻是一樣的,就是提高效率。但是目前硅基半導體從架構(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?！邦A計在未來幾年,英飛凌推出的下一代產(chǎn)品或者緊隨其后的新產(chǎn)品就將接近硅的物理極限,而第三代半導體將接棒硅基半導體,持續(xù)降低導通損耗,在能源轉(zhuǎn)換的領域作出貢獻。”

眾所周知,功率半導體技術一直以來的發(fā)展方向都很明確,就是提高能源轉(zhuǎn)換效率,減少能源損耗,第三代半導體材料的出現(xiàn)正好順應了這一發(fā)展潮流。

以碳化硅為例,碳化硅具有2倍于硅的飽和電子漂移速率,使得碳化硅器件具有極低的導通電阻,導通損耗低;碳化硅具有3倍于硅的禁帶寬度,使得碳化硅器件泄漏電流比硅器件大幅減少,從而降低功率損耗;碳化硅器件在關斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象,開關損耗低,大幅提高實際應用的開關頻率。

除此之外,由于第三代半導體材料的禁帶寬度遠遠高于硅,所以它的寄生參數(shù)特別小,有助于推動設備的小型化和輕量化發(fā)展。程文濤也舉例談到:“現(xiàn)在手機用的快充,功率有的已經(jīng)做到一百瓦以上,這在十年前簡直無法想象。但是如果要用以前的硅基半導體材料來做充電器,尺寸就會做得很大?，F(xiàn)在用氮化鎵的材料來做,由于它的開關頻率非常高,就可以把充電器的尺寸做得很小。”

第三代半導體工藝/成本難題該如何解決?

OFweek維科網(wǎng)·電子工程注意到,由于發(fā)展時間相對較短,當前的第三代半導體在技術層面值得關注的領域還有很多,比如碳化硅晶圓的冷切割技術,器件溝道結(jié)構(gòu)優(yōu)化,氮化鎵門極結(jié)構(gòu)優(yōu)化,長期可靠性模型、成熟硅功率器件模塊及封裝技術的移植等等,都會對第三代半導體長期發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。

而這幾個領域也正是英飛凌第三代半導體產(chǎn)品開發(fā)過程中所專注和擅長的領域。據(jù)了解,英飛凌第三代半導體的差異化競爭優(yōu)勢主要是功率器件在設計過程中所采用的結(jié)構(gòu)。

例如,英飛凌的碳化硅器件所采用的結(jié)構(gòu)是溝槽式,這種結(jié)構(gòu)解決了大多數(shù)功率開關器件的可靠性問題?！艾F(xiàn)在大多數(shù)功率開關器件產(chǎn)品采用的是平面結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu),在長期運行的時候,或者在大批量運用的時候,就容易產(chǎn)生可靠性的問題,”程文濤表示,“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?！?/p>

隨著第三代半導體的戰(zhàn)略意義被廣泛認知,眾多半導體廠商加速布局,形成了包括襯底、外延、器件設計、流片、封裝、系統(tǒng)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈條。但由于晶體生長速率慢、制備技術難度較大,大尺寸、高品質(zhì)碳化硅襯底生產(chǎn)成本依舊較高,碳化硅襯底較低的供應量和較高的價格一直是制約碳化硅基器件大規(guī)模應用的主要因素之一,限制了產(chǎn)品在下游行業(yè)的應用和推廣。

“受限于可靠性和價格因素,第三代半導體的整體商用規(guī)模還不大。畢竟第三代半導體相對而言是一個比較新的領域,還有很多模式并沒有被完全理解消化,”程文濤對此表示,“我們預測,第三代半導體的價格在最近這些年有望大幅下降,朝著硅基半導體的水平趨近,但短時間內(nèi)不會達到硅基半導體的水平。但在部分重視能源轉(zhuǎn)換效率,對價格又不太敏感的領域,第三代半導體器件的用量將得以迅速提升。”

當然,從長遠來看,第三代半導體在成本控制上也展現(xiàn)出了更強的潛力。一方面,第三代半導體有利于降低電力系統(tǒng)的整體成本和能源消耗;另一方面,由于硅材料的開發(fā)逼近極限,降價空間所剩無幾,而第三代半導體隨著市場規(guī)模持續(xù)提升,成本仍有較大的下調(diào)空間。

據(jù)OFweek維科網(wǎng)·電子工程了解,英飛凌一直走在SiC技術的最前沿,從1992年開始對包含SiC二極管在內(nèi)的功率半導體進行研發(fā),在2001年發(fā)布了世界上第一款商業(yè)化SiC功率二極管,此后至今英飛凌不斷推出各種性能優(yōu)異的SiC功率器件。除了產(chǎn)品本身,英飛凌在2018年收購了Siltectra,致力于通過冷切割技術優(yōu)化工藝流程,大幅提高對SiC原材料的利用率,有效降低SiC的成本。

大功率轉(zhuǎn)換賽道火熱,第三代半導體未來可期

如今已經(jīng)進入了21世紀的第三個十年期,第三代半導體產(chǎn)業(yè)格局相對于發(fā)展初期已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。從英飛凌SiC器件的發(fā)展史,也折射出整個SiC技術的發(fā)展歷程和趨勢。具體而言,第三代半導體產(chǎn)業(yè)正在加速垂直整合,甚至形成了IDM、Fabless和Foundry合作并存的模式。這些都顯示出,第三代半導體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入了大規(guī)模、高速發(fā)展的階段。

在程文濤看來,到2025年全球可再生能源發(fā)電量有望超過燃煤發(fā)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(shù)據(jù)中心、5G通信等場景用電量巨大,節(jié)電降耗的重要性凸顯,也將成為率先采用第三代半導體器件做大功率轉(zhuǎn)換的應用領域。

當然,與硅基器件行業(yè)相比,第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展時間相對較短,在標準化、成熟度等方面還有很長的路要走,尤其是在品質(zhì)與長期可靠性方面,還有大量的研究和驗證工作要做。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。

程文濤也表示:“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(yè)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。目前可能在市面上看到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,那是一種商業(yè)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?！彼J為,在可預見的將來,基本上硅基半導體還是會占據(jù)大部分市場。碳化硅主要用在高功率、高電壓的場景。氮化鎵則主要是用在追求超高頻率的場景,手機快充就是一個很顯著的例子。

根據(jù)賽迪顧問預測,到2025年,氮化鎵在射頻器件領域占比有望超過50%,市場規(guī)模有望沖破30億美元。碳化硅方面,在2025年有望達到30億美元,汽車市場將成為碳化硅市場規(guī)模增長的重要驅(qū)動力。

另據(jù)Yole報告顯示,從全球市場來看,2019功率器件的市場規(guī)模為5.41億美元,受益于電動汽車、充電樁、光伏新能源等市場需求驅(qū)動,預計2025年將增長至25.62億美元,復合年增長率高達30%。碳化硅襯底的需求有望因此獲益并取得快速增長。整體看下來,第三代半導體市場未來值得期待!

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