本文來自微信公眾號(hào)“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫”,作者/陳智超。
寬禁帶半導(dǎo)體材料突破原有半導(dǎo)體材料在大功率、高頻、高速、高溫環(huán)境下的性能限制,在5G通信、互聯(lián)網(wǎng)、新能源、電子信息產(chǎn)業(yè)等前沿領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。在摩爾定律遇到瓶頸,“中國制造2025”的大背景下,寬禁帶半導(dǎo)體材料的發(fā)展前景不可限量。
01
什么是寬禁帶半導(dǎo)體材料
隨著4G、5G通訊的迅速發(fā)展、同時(shí)人類生產(chǎn)生活科技化與信息化程度越來越高,電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)在近幾十年呈現(xiàn)迅速發(fā)展態(tài)勢。而在技術(shù)迅猛發(fā)展的背后,是半導(dǎo)體材料的三次重要階段性發(fā)展。第一代半導(dǎo)體材料以硅(Si)和鍺(Ge)為代表,已在集成電路、航空航天、新能源和硅光伏產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用并取得了卓越成效,目前仍是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的主流。隨后,以砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)為代表的第二代化合物半導(dǎo)體材料因其在高頻、高效率和低噪聲指數(shù)等方面遠(yuǎn)超于Si,被廣泛應(yīng)用于微波毫米波器件以及發(fā)光器件中,主要用于制備高頻、高速、大功率和發(fā)光電子器件。然而,隨著未來電子器件在更高頻率、更高功率和更高集成度等方面的要求,第一、二代半導(dǎo)體材料由于其自身材料固有特性的限制已變得力不從心。
在這種情況下,第三代化合物半導(dǎo)體材料——碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等材料進(jìn)入了大眾的視線。與前兩代半導(dǎo)體材料相比,寬禁帶半導(dǎo)體材料因其在禁帶寬度和擊穿場強(qiáng)等方面的優(yōu)勢以及耐高溫、耐腐蝕、抗輻射等特點(diǎn),非常適合更小體積、更輕重量、更高效率、更大功率的電子電力器件制備,在無線基礎(chǔ)設(shè)施、軍事和宇航、衛(wèi)星通信和功率轉(zhuǎn)換等高頻、高溫、高功率工作領(lǐng)域有著顯著的優(yōu)勢,是5G移動(dòng)通信、新能源汽車、智慧電網(wǎng)等前沿創(chuàng)新領(lǐng)域的首選核心材料和器件,已成為當(dāng)今世界各國爭相研究的科研熱點(diǎn)和重點(diǎn)。從目前來看,研究較為成熟的是SiC和GaN材料。
02
SiC和GaN寬禁帶半導(dǎo)體材料
SiC為Ⅳ主族中Si元素和C元素組成的化合物,C原子和Si原子以共價(jià)鍵的形式連接。SiC的基本結(jié)構(gòu)單元是硅碳四面體,其相互連接形成各種緊密堆積的結(jié)構(gòu)。以碳化硅為典型代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料,與常規(guī)半導(dǎo)體硅或砷化鎵相比,具有寬帶隙、高飽和漂移速度、高臨界擊穿電場等突出優(yōu)點(diǎn),是大功率、高溫、高頻、抗輻照應(yīng)用場合下極為理想的半導(dǎo)體材料。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中,SiC寬禁帶半導(dǎo)體材料能減少電容數(shù)量從而降低器件體積,同時(shí)由于其對高結(jié)溫具有超高的耐受性,這種耐受性有助于提升功率密度,減少散熱問題。
SiC相圖及制備SiC的物理氣相傳輸(PVT)技術(shù)
GaN材料首先得到廣泛應(yīng)用是在發(fā)光器件方面,隨后GaN基高性能MMIC單片微波集成電路)得到了廣泛關(guān)注,最近幾年,由于異質(zhì)外延技術(shù)的發(fā)展,GaNHEMT(高電子遷移率晶體管)得到了迅速發(fā)展。同時(shí),由于GaN基半導(dǎo)體器件具有優(yōu)異的耐壓、耐熱、耐腐蝕特性,它也是5G芯片應(yīng)用的關(guān)鍵材料。
GaNHEMT結(jié)構(gòu)示意圖
03
國內(nèi)外企業(yè)先進(jìn)進(jìn)展
SiC芯片在特斯拉Model3上的初次亮相,讓全球汽車廠商將目光放在了SiC這種全新的半導(dǎo)體材料,在龐大的市場需求推動(dòng)下,一大批采用這種材質(zhì)芯片的汽車已經(jīng)正在路上。其中,由英飛凌制造的SiC芯片已經(jīng)確定搭載在現(xiàn)代的新款電動(dòng)汽車上,與配備普通硅芯片的汽車相比,其電動(dòng)汽車的續(xù)航里程可提高5%。
SiC在新能源汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用將為其突破現(xiàn)有的關(guān)于電池、能耗與控制系統(tǒng)上的瓶頸,對于整個(gè)行業(yè)的發(fā)展具有積極意義,尤其是在整體成本的控制上,這點(diǎn)從現(xiàn)有的首批采用SiC的汽車特斯拉Model3上已經(jīng)有所體現(xiàn)。SiC器件在特斯拉Model3上的首次應(yīng)用也對SiC在汽車行業(yè)的發(fā)展起到了推動(dòng)作用,國內(nèi)外汽車廠商新能源板塊的SiC器件的滲透率已開始逐漸攀升,目前已經(jīng)應(yīng)用于特斯拉、比亞迪、蔚來、小鵬等品牌的中高端車型,如比亞迪純電動(dòng)車車型“漢”、Lucid推出的LucidAir皆采用SiC提高汽車性能,并且,這些汽車公司已經(jīng)計(jì)劃在未來車型中使用更多的SiC分立器件或模塊。同時(shí)現(xiàn)代、奧迪、大眾、奔馳、通用汽車等傳統(tǒng)車企也開始研發(fā)SiC解決方案。Wolfspeed預(yù)計(jì)2026年的碳化硅器件市場結(jié)構(gòu)中,新能源汽車將占據(jù)52%,其余射頻、工控與能源將分別占據(jù)33%、16%,與2022年以射頻器件為主的市場結(jié)構(gòu)相比將產(chǎn)生較大變化。
國外進(jìn)展
Wolfspeed是目前全球最大的SiC襯底制造商,公司成立于1987年,具有30余年的碳化硅生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),近年來,公司發(fā)展戰(zhàn)略不斷發(fā)生變化,最終將碳化硅業(yè)務(wù)作為公司未來的主營業(yè)務(wù),并于2021年10月將公司名稱由Cree更改為Wolfspeed,從此專注于第三代化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域的布局。下圖為Wolfspeed歷年?duì)I業(yè)收入。除了Wolfspeed,剩下兩家龍頭企業(yè)分別是ROHM(羅姆)和onsemi(安森美)。
Wolfspeed歷年?duì)I業(yè)收入(百萬美元)
2022年4月Wolfspeed推出最新600kW XM3高性能雙三相逆變器、模塊化碳化硅評估系統(tǒng)。CRD600DA12E-XM3包含兩組XM3功率模塊,每組均帶有CGD12HBXMP柵極驅(qū)動(dòng)器。總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是采用低成本、低復(fù)雜度的高載流量、低電感設(shè)計(jì),最大限度提高性能。XM3平臺(tái)采用重疊的平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以便實(shí)現(xiàn)低雜散電感。模塊內(nèi)的電流回路既寬且薄,在器件間均勻分布,從而在開關(guān)位置產(chǎn)生等效阻抗。模塊的電源端子也能垂直偏移,使得直流鏈路電容和模塊之間的簡單母線設(shè)計(jì)能夠一直層壓到模塊上。最終結(jié)果是,在10MHz時(shí),電源回路的雜散電感僅為6.7nH。
2022年5月11日,安森美(onsemi)在PCIMEurope展會(huì)發(fā)布全球首款To-Leadless(TOLL)封裝的碳化硅(SiC)MOSFET。該晶體管滿足了高性能開關(guān)器件的需求。TOLL封裝的尺寸僅為9.90mm×11.68mm,外形只有2.30mm,比D2PAK封裝的PCB面積節(jié)省30%,體積小60%。除更小尺寸外,TOLL封裝還提供更好的熱性能和更低的封裝電感。其開爾文源極配置可確保更低的門極噪聲和開關(guān)損耗,以及改善電磁干擾(EMI)和更容易進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。
2022年3月,羅姆推出了他們的第4代MOSFET產(chǎn)品。新系列包括額定電壓為750 V(從650 V增加)和1200 V的MOSFET,以及一些可用的TO247封裝組件,其汽車合格率高達(dá)56A/24mΩ。這表明羅姆將繼續(xù)瞄準(zhǔn)他們之前取得成功的車載充電器市場。ROHM在其發(fā)布聲明中聲稱,他們的第4代產(chǎn)品通過進(jìn)一步改進(jìn)原有的雙溝槽結(jié)構(gòu),在不犧牲短路耐受時(shí)間的情況下,將每單位面積的導(dǎo)通電阻比傳統(tǒng)產(chǎn)品降低40%。此外,顯著降低電容也使得開關(guān)損耗比羅姆的上一代SiC MOSFET降低50%成為可能。
國內(nèi)進(jìn)展
目前碳化硅襯底全球?qū)嶋H產(chǎn)能50-60萬片/年,國內(nèi)碳化硅襯底產(chǎn)量為20-30萬片/年,可實(shí)現(xiàn)批量供應(yīng)的有天科合達(dá)、山東天岳等公司,2022年7月21日晚,天岳先進(jìn)發(fā)布了《關(guān)于簽訂重大合同的公告》。根據(jù)公告:天岳先進(jìn)獲得近14億元的6英寸導(dǎo)電型SiC襯底訂單,從國內(nèi)外公開的簽約報(bào)道來看,天岳此次獲得的巨額訂單是目前已知的國內(nèi)6英寸導(dǎo)電襯底的最大訂單,同時(shí)該訂單金額也位居全球第二,僅次于意法半導(dǎo)體與Wolfspeed的8億美元訂單。另外小米、華為、中興等公司在第三代半導(dǎo)體的研究和應(yīng)用方面也處于領(lǐng)先水平、除了眾所周知的5G通訊技術(shù),小米于2021年12月29日發(fā)布了67W GaN充電器,也是利用了第三代半導(dǎo)體器件GaN高頻高效特性,讓67W大功率輸出濃縮至小小的身軀內(nèi),重量輕至89.5g。
04
寬禁帶半導(dǎo)體材料應(yīng)用前景及面臨的挑戰(zhàn)
目前,寬禁帶半導(dǎo)體主要在3個(gè)領(lǐng)域有強(qiáng)大的市場競爭力。第一是射頻器件,即微波毫米波器件。與砷化鎵和硅等半導(dǎo)體材料相比,在微波毫米波段的寬禁帶半導(dǎo)體器件工作效率和輸出功率明顯要高,適合做射頻功率器件。民用射頻器件主要應(yīng)用在移動(dòng)通信方面,包括現(xiàn)在的4G、5G和未來的6G通信。例如,國內(nèi)新裝的4G和5G移動(dòng)通信的基站幾乎全用氮化鎵器件。尤其是5G基站采用多輸入多輸出(MIMO)收發(fā)體制,每個(gè)基站64路收發(fā),耗電量是4G基站的3倍以上,而且基站的密集度還要高于4G基站。未來6G通信頻率更高、基站數(shù)更多,矛盾將更加突出。
第二是大功率電力電子器件??斐溲b置、輸變電系統(tǒng)、軌道交通、電動(dòng)汽車和充電樁等都需要大功率、高效率的電力電子器件。碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體等具有比其他半導(dǎo)體材料更為明顯的優(yōu)勢。
第三是光電器件。寬禁帶半導(dǎo)體尤其在短波長光電器件方面有很明顯的優(yōu)勢。例如在藍(lán)光方面,現(xiàn)在半導(dǎo)體照明已經(jīng)采用了氮化鎵,在紫光、紫外光甚至在黃光、綠光等方面都可以直接用氮化物半導(dǎo)體作為材料。
05
對于寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)未來的展望
從數(shù)據(jù)來看,自2017年至今,寬禁帶半導(dǎo)體器件的市場規(guī)模呈非常明顯的上升趨勢。也就是說,近幾年的確是寬禁帶半導(dǎo)體創(chuàng)新發(fā)展的好時(shí)機(jī),但是寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域面臨的難題依舊很多,如工藝的穩(wěn)定性,核心技術(shù)研發(fā)、成果轉(zhuǎn)化、成本控制等方面,不可否認(rèn)的是,第三代半導(dǎo)體確實(shí)突破了第一、二代半導(dǎo)體材料自身材料固有特性的限制,也被市場所看好,有希望全面取代第一、二代半導(dǎo)體材料,但是由于我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起步較晚,目前第三代半導(dǎo)體的核心技術(shù)還是被日本、美國、歐洲等國家掌握,但“失之東隅,收之桑榆”,這也給予了我國第三代半導(dǎo)體業(yè)很大的發(fā)展空間,在中國制造2025的大背景下,寬禁帶半導(dǎo)體材料的發(fā)展前景不可限量。