硅材料逼近物理極限,第三代半導(dǎo)體如何接棒?
硅材料逼近物理極限,第三代半導(dǎo)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(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,“集成電路”領(lǐng)域特別提出碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導(dǎo)體,也就是第三代半導(dǎo)體要取得長遠(yuǎn)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(jìn)入新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈、氮化鎵在快充上的規(guī)?；瘧?yīng)用等等,第三代半導(dǎo)體逐步進(jìn)入消費(fèi)端和工業(yè)端,在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域開始嶄露頭角,并成為目前科技領(lǐng)域最熱門的話題之一。
第三代半導(dǎo)體目前究竟有多火,背后又還存在哪些技術(shù)挑戰(zhàn),從長遠(yuǎn)角度來看還需要解決哪些痛點(diǎn)。帶著這些疑問,OFweek維科網(wǎng)·電子工程對(duì)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(yīng)用市場總監(jiān)程文濤,一起深度了解第三代半導(dǎo)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(yīng)用市場總監(jiān) 程文濤
硅基半導(dǎo)體逼近物理極限,第三代半導(dǎo)體接棒
提起第三代半導(dǎo)體,就不得不先簡單介紹下第一、二代半導(dǎo)體。第一代半導(dǎo)體又可以被稱為初代半導(dǎo)體材料,主要以硅(Si)和鍺(Ge)為代表,目前大部分半導(dǎo)體是基于硅基半導(dǎo)體。第二代半導(dǎo)體材料主要以GaAs為代表,是4G時(shí)代的大部分通信設(shè)備的材料。第三代半導(dǎo)體則是進(jìn)入5G時(shí)代以來的主要材料。
第一、二代半導(dǎo)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(dǎo)體的帶隙,碳化硅和氮化鎵分別達(dá)到3.2eV、3.4eV,因此當(dāng)遇到高溫、高壓、高電流時(shí),跟一、二代比起來,第三代半導(dǎo)體不會(huì)輕易從絕緣變成導(dǎo)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(shù)研發(fā)費(fèi)用劇增,制造節(jié)點(diǎn)的更新難度越來越大,“摩爾定律”演進(jìn)開始放緩。第三代半導(dǎo)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(dǎo)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(lǐng)域,無論是第一/第二代半導(dǎo)體,還是第三代半導(dǎo)體,它所做出的貢獻(xiàn)是一樣的,就是提高效率。但是目前硅基半導(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?！邦A(yù)計(jì)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(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)?！?/p>
眾所周知,功率半導(dǎo)體技術(shù)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(dǎo)體材料的出現(xiàn)正好順應(yīng)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(dǎo)通電阻,導(dǎo)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(guān)斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象,開關(guān)損耗低,大幅提高實(shí)際應(yīng)用的開關(guān)頻率。
除此之外,由于第三代半導(dǎo)體材料的禁帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硅,所以它的寄生參數(shù)特別小,有助于推動(dòng)設(shè)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(jī)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(dǎo)體材料來做充電器,尺寸就會(huì)做得很大?，F(xiàn)在用氮化鎵的材料來做,由于它的開關(guān)頻率非常高,就可以把充電器的尺寸做得很小?！?/p>
第三代半導(dǎo)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(shí)間相對(duì)較短,當(dāng)前的第三代半導(dǎo)體在技術(shù)層面值得關(guān)注的領(lǐng)域還有很多,比如碳化硅晶圓的冷切割技術(shù),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(shù)的移植等等,都會(huì)對(duì)第三代半導(dǎo)體長期發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
而這幾個(gè)領(lǐng)域也正是英飛凌第三代半導(dǎo)體產(chǎn)品開發(fā)過程中所專注和擅長的領(lǐng)域。據(jù)了解,英飛凌第三代半導(dǎo)體的差異化競爭優(yōu)勢主要是功率器件在設(shè)計(jì)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(guān)器件的可靠性問題?！艾F(xiàn)在大多數(shù)功率開關(guān)器件產(chǎn)品采用的是平面結(jié)構(gòu),難以在開關(guān)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(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)生可靠性的問題,”程文濤表示,“如果要把它的門級(jí)做的相對(duì)比較厚,就沒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)問題。”
隨著第三代半導(dǎo)體的戰(zhàn)略意義被廣泛認(rèn)知,眾多半導(dǎo)體廠商加速布局,形成了包括襯底、外延、器件設(shè)計(jì)、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(shù)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(yīng)量和較高的價(jià)格一直是制約碳化硅基器件大規(guī)模應(yīng)用的主要因素之一,限制了產(chǎn)品在下游行業(yè)的應(yīng)用和推廣。
“受限于可靠性和價(jià)格因素,第三代半導(dǎo)體的整體商用規(guī)模還不大。畢竟第三代半導(dǎo)體相對(duì)而言是一個(gè)比較新的領(lǐng)域,還有很多模式并沒有被完全理解消化,”程文濤對(duì)此表示,“我們預(yù)測,第三代半導(dǎo)體的價(jià)格在最近這些年有望大幅下降,朝著硅基半導(dǎo)體的水平趨近,但短時(shí)間內(nèi)不會(huì)達(dá)到硅基半導(dǎo)體的水平。但在部分重視能源轉(zhuǎn)換效率,對(duì)價(jià)格又不太敏感的領(lǐng)域,第三代半導(dǎo)體器件的用量將得以迅速提升?！?/p>
當(dāng)然,從長遠(yuǎn)來看,第三代半導(dǎo)體在成本控制上也展現(xiàn)出了更強(qiáng)的潛力。一方面,第三代半導(dǎo)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(jià)空間所剩無幾,而第三代半導(dǎo)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(shù)的最前沿,從1992年開始對(duì)包含SiC二極管在內(nèi)的功率半導(dǎo)體進(jìn)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(shù)優(yōu)化工藝流程,大幅提高對(duì)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(dǎo)體未來可期
如今已經(jīng)進(jìn)入了21世紀(jì)的第三個(gè)十年期,第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局相對(duì)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(gè)SiC技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢。具體而言,第三代半導(dǎo)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)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(dòng)第三代半導(dǎo)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(dǎo)體器件做大功率轉(zhuǎn)換的應(yīng)用領(lǐng)域。
當(dāng)然,與硅基器件行業(yè)相比,第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展時(shí)間相對(duì)較短,在標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)證工作要做。至少在可見的將來,第三代半導(dǎo)體不會(huì)完全取代第一代半導(dǎo)體。
程文濤也表示:“從性價(jià)比的角度來說,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。目前可能在市面上看到一些定價(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,那是一種商業(yè)行為,就是通過低定價(jià)來催生這個(gè)市場。以目前的工藝來講,第三代半導(dǎo)體的成本還是遠(yuǎn)高于硅基半導(dǎo)體?！彼J(rèn)為,在可預(yù)見的將來,基本上硅基半導(dǎo)體還是會(huì)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(jī)快充就是一個(gè)很顯著的例子。
根據(jù)賽迪顧問預(yù)測,到2025年,氮化鎵在射頻器件領(lǐng)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(dá)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(dòng)力。
另據(jù)Yole報(bào)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(dòng)汽車、充電樁、光伏新能源等市場需求驅(qū)動(dòng),預(yù)計(jì)2025年將增長至25.62億美元,復(fù)合年增長率高達(dá)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(dǎo)體市場未來值得期待!
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