随着绿色低碳战略的不停推进,提升能源行使效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,若何行使现代化新手艺建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。

值此靠山下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。凭证Yole展望数据,2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将到达20亿美元,2019-2025年复合年均增进率高达12%!其中,军工和通讯基站装备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模划分为11.1亿美元和7.31亿美元;

全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将到达25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增进率高达30%!其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模划分为15.53亿美元和3.14亿美元。

本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与海内外该领域着名半导体厂商举行探讨剖析

01、后摩尔时代:第三代半导体崛起

20世纪50年月以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体质料的泛起,取代了粗笨的电子管,让以集成电路为焦点的微电子工业的生长和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产物,都离不开第一代半导体质料的劳绩。可以说是由第一代半导体质料奠基了微电子产业的基础。

然而由于硅质料的带隙较窄、电子迁徙率和击穿电场较低等缘故原由,硅质料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体质料最先崭露头角,使半导体质料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通讯装备由于市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体质料为信息产业打下了坚实基础。

在第二代半导体质料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、事情速率更快、事情消耗更低特征,第三代半导体质料也正是基于这些特征而降生。

第三代半导体与前两代半导体性能参数对比   OFweek维科网·电子工程制图

笔者注重到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在“高效”、“降耗”、“突破极限”等焦点要害词上。

安森美中国汽车OEM手艺认真人吴桐博士告诉笔者:“第三代半导体优异的质料特征可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的偏向。”他示意随着第三代半导体手艺的普及,传统成熟的行业设计都市有突破点和优化的空间。

英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望跨越燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增进。在用电端,由于数据中央、5G通讯等场景用电量伟大,节电降耗的主要性凸显,也将成为率先接纳第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。

第三代半导体质料区别于前两代半导体质料最大的区别就在于带隙的差异。第一代半导体质料属于间接带隙,窄带隙;第二代半导体质料属于直接带隙,同样也是窄带隙;二第三代半导体质料则是全组分直接带隙,宽禁带。

和前两代半导体质料相比,更宽的禁带宽度允许质料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。

随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特征(Eg>2.3eV)的新兴半导体质料相继泛起,天下各国陆续结构、产业化历程快速崛起。详细来看:

与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特征: 

1.耐高压:击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、事情频率和电流密度,并大大降低器件的导通消耗;

2.耐高温:半导体器件在较高的温度下,会发生载流子的本征引发征象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限事情温度越高。碳化硅的禁带靠近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下事情的可靠性。硅器件的极限事情温度一样平常不能跨越300℃,而碳化硅器件的极限事情温度可以到达600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现装备的小型化;

3.高频性能:碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决议了碳化硅器件可以实现更高的事情频率和更高的功率密度。基于这些优良的特征,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以知足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。

氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速率、高热导率、耐高电压、耐高温、抗侵蚀、耐辐照等突出优点。尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已普遍应用,还可制备成氮化镓基激光器;在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通讯、基站、卫星等军事 或者民用领域;氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源消耗。

02、产业手艺瓶颈亟待突破

半导体行业有个说法:“一代质料,一代手艺,一代产业”,在第三代半导体产业规模化泛起之前,也还存在着不少亟待解决的手艺难题。

第三代半导体全产业链十分庞大,包罗衬底→外延→设计→制造→封装。其中,衬底是所有半导体芯片的底层质料,起到物理支持、导热、导电等作用;外延是在衬底质料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的主要质料,影响器件的基个性能;设计包罗器件设计和集成电路设计,其中器件设计包罗半导体器件的结构、质料,与外延相关性很大;制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等庞大工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路;封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。

(资料:碳化硅衬底的下游产业链)

前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体质料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。

从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率”。首先碳化硅单晶制备现在最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工致形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和洗濯等工艺才气成为衬底质料。

这一机械、化学制造历程存在着加工难题、制造效率低、制造成本高等问题。此外,若是再加上思量单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备优越的几何形貌,如总厚度转变、翘曲度、变形,而且晶片外面质量(粗拙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的伟大挑战。

此外,碳化硅质料是现在仅次于金刚石硬度的质料,质料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延伸工具寿命、提高加工质量,往往会接纳微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅质料制备的整体生产效率。

对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延质料需匹配”的难题。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很忧伤到大尺寸的氮化镓单晶质料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,好比蓝宝石、AlN、SiC和Si质料衬底来替换氮化镓器件的衬底。

(衬底质料的晶格失配和热失配关系示意图)

但问题是这些异质衬底质料和氮化镓之间的晶格失配和热失配异常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延质料需匹配的难点。

在落地到行使第三代半导体质料去解决详细问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程,英飞凌的碳化硅器件所接纳的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。

好比现在大多数功率开关器件产物接纳的是平面结构,难以在开关的效率上和耐久可靠性上获得平衡。接纳平面结构,若是要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得异常彻底,那么它的门级就需要做得异常薄,这个很薄的门级结构,在耐久运行的时刻,或者在大批量运用的时刻,就容易发生可靠性的问题。

若是要把它的门级做的相对对照厚,就没设施充实行使沟道的导通性能。而接纳沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。

吴桐博士则从产业化的角度提出,第三代半导体手艺的难点在于有关设计手艺和量产能力的协调,以及对耐久可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要连续性的优化,降低成本,提升可靠性。

03、取代硅基半导体还需解决成本难题

考察当前半导体市场可以发现,占有市场九成以上的份额的主流产物依然是硅基芯片。

但近些年来,“摩尔定律面临失效危急”的声音不停于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不停靠近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不停上升。

业界也因此不停发出质疑,未来芯片的生长极限到底在哪,一旦硅基芯片到达极限点,又该从哪个偏向下手追求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,海内外厂商在面临这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。

“现在硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经靠近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,连续降低导通消耗,在能源转换的领域作出孝顺,”程文涛也为笔者形貌了当前市场上的一种征象:可能会存在一些订价靠近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就靠近硅基半导体。由于那是一种商业行为,就是通过低订价来催生这个市场。

以现在的工艺来讲,第三代半导体的成本照样远高于硅基半导体,程文涛示意:“至少在可见的未来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。由于从性价比的角度来说,在异常宽的应用局限中,硅基半导体现在依然是不二之选。第三代半导体现在在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”

作为中国碳化硅功率器件产业化的提倡者之一,泰科天润同样也示意对第三代半导体产业生长的看好。

虽然碳化硅单价现在比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。若是是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。

从器件的角度来看,碳化硅从四寸太过到六寸,未来往八寸甚至十二寸生长,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润先容,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产物,有些产物实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多乐成开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平稳固的情形下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产物。

泰科天润还告诉笔者:“这两年随着外洋友商的缺货或涨价,好比一些高压硅器件,这些领域已经泛起碳化硅取代硅的征象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产手艺的成熟,8寸晶圆的生长,碳化硅器件有望与硅基器件到达相同的价钱水平。”

吴桐博士以为,现在来看在差其余细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会逐步取代硅基产物成为主流方案。

那么对于企业而言,该若何施展第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士示意,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳固的供应链,可耐久设计的产能结构以及到达客观的投资回报率;其次是在手艺研发上继续发力,好比Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功效,这样单个器件成本得以优化;第三是连续地提升FE/BE良率,等效的降低成本;第四是与行业大客户配合开发界说新产物,保证竞争力以及稳固的供需关系;最后也是主要的一点,要辅助行业配合发展,蛋糕做大,产能做强,才气使得单价有进一步下降的空间。

04、百亿市场空间!三大领域加速发作

第三代半导体产业事实掀起了多大的风口?凭证《2020“新基建”风口下第三代半导体应用生长与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增进速率,到2022年市场规模将到达623.42亿元。

其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增进至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增进至608.21亿元,年复合增速为91.73%。

(源自《2020“新基建”风口下第三代半导体应用生长与投资价值白皮书》)

得益于第三代半导体质料的优良特征,它在光电子、电力电子、通讯射频等领域尤为适用。详细来看:

光电子器件包罗发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通讯领域,场景包罗半导体照明、智能照明、光纤通讯、光无线通讯、激鲜明示、高密度存储、规复印打印、紫外预警等;

电力电子器件包罗碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包罗消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等;

微波射频器件包罗HEMT(高电子迁徙率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通讯领域,不外场景则加倍高端,包罗通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。

(OFweek维科网·电子工程整理自公然资料)

现阶段,西欧日韩等国第三代半导体企业已形陋习模化优势,占有全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体生长,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体质料项目部署”等十余个专项,鼎力支持第三代半导体手艺和产业生长。

早在2014年,工信部宣布的《国家集成电路产业生长推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业生长,促进工业转型升级,同时激励社会各种风险投资和股权投资基金进入集成电路领域;在去年天下人大宣布《中华人民共和国国民经济和社会生长第十四个五年设计和2035年远景目的纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新生长。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实行一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。

(OFweek维科网·电子工程整理自公然资料)

详细来看当前主要应用领域的生长情形:

1.新能源汽车

新能源汽车行业是未来市场空间伟大的新兴市场,全球局限内新能源车的普及趋势晴朗。随着电动汽车的生长,对功率半导体器件需求量日益增添,成为功率半导体器件新的经济增进点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特征,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部门,碳化硅器件的使用已经对照普遍。对于非车载充电桩产物, 由于成本的缘故原由,现在使用比例还相对较低,但部门厂商已最先行使碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。

2.光伏

光伏逆变器曾普遍接纳硅器件,经由40多年的生长,转换效率和功率密度等已靠近理论极限。碳化硅器件具有低消耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域获得普遍应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的利益。

3.轨道交通

未来轨道交通对电力电子装置,好比牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。接纳碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和事情效率,有助于显著减轻轨道交通的载重系统。现在,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅夹杂模块将首先最先替换部门硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域施展更大的作用。

4.智能电网

现在碳化硅器件已经在中低压配电网最先了应用。未来更高电压、更大容量、更低消耗的柔性输变电将对万伏级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电网的主要应用包罗高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、天真交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。

05、外洋疯狂扩产,海内紧追厥后

第三代半导体自从在2021年被列入十四五设计后,相关看法连续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。

时常会听到业内说法称,第三代半导体海内外都是统一起跑线出发,现在人人差距相对不大,整个产业生长仍处于发作前的“抢跑”阶段,对海内而言第三代半导体质料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?

从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利结构,好比英飞凌一直走在碳化硅手艺的最前沿,从30年前(1992年)最先包罗碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年宣布了天下上第一款商业化碳化硅功率二极管,往后至今英飞凌不停推出了种种性能优异的碳化硅功率器件。除了产物自己,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割手艺优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原质料的行使率,有用降低碳化硅的成本。

安森美也是第三代半导体产业结构中的佼佼者,据笔者领会,安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳固。同时借助安森美多年的手艺积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的手艺弥补,安森美的碳化硅手艺已经进入第三代,综合性能在业界处于领先职位。现在已成为天下上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包罗碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。

详细得手艺上,北京大学教授、宽禁带半导体研究中央主任沈波也曾提出,海内第三代半导体和国际上差距对照大,其中很主要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸手艺还没投入量产,然则6英寸已经是主流手艺,二极管已经生长到了第五代,三极管也生长到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。

另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包罗罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观海内,现在真正量产的主要照样碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估量到明年才气实现规模量产,车规级碳化硅模块要守候更长时间才气量产。

泰科天润也直言,海内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度,国产碳化硅二极管基本上水平和外洋差距不大,然则碳化硅MOSFET海内外差距照样有至少1-2代的差距;可靠性方面,外洋碳化硅产物市场应用推广较早,积累了加倍厚实的应用履历,对产物可靠性的认知,界说以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,海内厂家也在推广市场的历程中逐步积累相关履历;产业链方面,外洋厂家针对碳化硅的质料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能加倍契合的体现碳化硅的质料优势。

OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月尾已经接到上亿元销售订单。作为海内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产履历,针对特定领域可以连系自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。

虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。

就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面海内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。

此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优异的企业,包罗三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光滋润、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体等等。

写在最后

OFweek维科网·电子工程以为,随着我国对新型基础建设的结构睁开和“双碳”目的的提出,碳化硅和氮化稼品级三代半导体的作用也愈发凸显。

上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通讯等兴旺市场需求,我国第三代半导体产业也最先由“导入期”向“成耐久”过渡,开端形成从质料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体手艺水平还落伍天下顶尖水平好几年,因此在质料、晶圆、封装及应用等环节的焦点要害手艺和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。

当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的要害期,第三代半导体产业作为新一代电子信息手艺中的重点组成部门,为能源革命带来了深刻的改变。