本文來自微信公眾號“中國電子報(bào)”，【作者】楊鵬岳。
碳化硅MOSFET晶圓和碳化硅SBD晶圓（來源：基本半導(dǎo)體）
隨著微波射頻、高效功率電子和光電子等新需求的快速發(fā)展，寬禁帶半導(dǎo)體材料對推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要性日益凸顯。尤其是伴隨人工智能、新能源汽車、物聯(lián)網(wǎng)等新興領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體需求逐漸攀升，寬禁帶半導(dǎo)體在技術(shù)推進(jìn)、產(chǎn)品創(chuàng)新、行業(yè)布局上都迎來了新的變化。
在半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展中，寬禁帶（WBG）材料的出現(xiàn)將引領(lǐng)行業(yè)進(jìn)入到一場變革性的旅程。碳化硅和氮化鎵作為寬禁帶半導(dǎo)體的“門面”，具備寬禁帶、高導(dǎo)熱率、高擊穿場強(qiáng)、高飽和電子遷移率的物理特性，能耐高壓、高溫、高頻，滿足高效率、小型化和輕量化的場景要求。在人工智能、新能源汽車、5G通信等應(yīng)用場景的帶動(dòng)下，碳化硅和氮化鎵成為當(dāng)下寬禁帶半導(dǎo)體材料領(lǐng)域最受產(chǎn)業(yè)關(guān)注的兩大“寵兒”，并不斷迎來新的進(jìn)展。
正在向AI數(shù)據(jù)中心“進(jìn)軍”
當(dāng)前，AI和新能源汽車正成為助推寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的兩大熱門應(yīng)用市場。
在人工智能浪潮之下，寬禁帶半導(dǎo)體正在向AI數(shù)據(jù)中心“進(jìn)軍”。
目前，AI對算力的需求持續(xù)高漲，除了不斷提高數(shù)據(jù)中心中的AI服務(wù)器性能，更需要注意的是如何應(yīng)對逐漸攀升的功耗。數(shù)據(jù)顯示，到2050年，數(shù)據(jù)中心將成為能源消耗大戶，所使用的能源將占全球總消耗的14%。大型計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行所需的電能日益增加，需要更高功率、更高能效的電力電子設(shè)備去支撐。而給AI處理器供電最高效的選擇就是氮化鎵和碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體。
宜普電源轉(zhuǎn)換公司首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Alex Lidow表示，為AI處理器供電，需要將輸入的高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓，中間要經(jīng)過多個(gè)階段，把電壓從大約220伏一直降到0.5伏。碳化硅通常用于高電壓場景。AI處理器供電第一階段的電壓轉(zhuǎn)換，即從220伏到48伏，既用到了碳化硅器件，也用到了氮化鎵器件。之后，將電壓從48伏降至0.5伏這個(gè)階段，則完全可以由氮化鎵完成。
在AI數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，碳化硅和氮化鎵都有自己的“舒適區(qū)”和降功耗的手段。其中，碳化硅具有極小的反向恢復(fù)損耗，主要應(yīng)用在AI服務(wù)器電源的PFC（功率因數(shù)校正）中。而氮化鎵開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗較低，主要應(yīng)用在服務(wù)器電源的PFC和高壓DC/DC（直流轉(zhuǎn)直流電源）部分。
目前，英飛凌、德州儀器、納微、瑞薩、宜普等領(lǐng)軍企業(yè)紛紛布局，將砝碼壓到AI數(shù)據(jù)中心。英飛凌正在關(guān)注可再生能源領(lǐng)域和AI數(shù)據(jù)中心等電氣化應(yīng)用的需求，并公布了新的AI數(shù)據(jù)中心電源路線圖。羅姆已確立150伏耐壓氮化鎵產(chǎn)品的量產(chǎn)體系，適用于基站、數(shù)據(jù)中心等工業(yè)設(shè)備和各種物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備的電源電路。納微則采用其GaNSafe和Gen-3 Fast碳化硅技術(shù)，發(fā)布了最新的CRPS185 4.5kW AI數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源方案。
成為汽車創(chuàng)新升級的新引擎
在汽車領(lǐng)域，寬禁帶半導(dǎo)體已實(shí)現(xiàn)從研發(fā)到規(guī)模性量產(chǎn)的跨越，成為推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級的新引擎。業(yè)內(nèi)專家表示，未來車規(guī)級器件的標(biāo)配是6英寸碳化硅襯底和800伏MOS器件。電子器件效率的提升可以幫助解決汽車的續(xù)航問題。
在今年4月舉辦的2024北京國際汽車展覽會(huì)上，“含碳化硅量”成為新能源汽車比拼的一大指標(biāo)。數(shù)據(jù)顯示，寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用可以使新能源汽車電控系統(tǒng)體積重量減少80%，電能轉(zhuǎn)換效率提升20%。
具體來看，當(dāng)前碳化硅功率器件已應(yīng)用于電動(dòng)汽車內(nèi)部的關(guān)鍵電力系統(tǒng)，包括牽引逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器等。在IEEE國際寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)路線圖委員會(huì)主席Victor Veliadis看來，電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車或?qū)⒊蔀榇偈固蓟璐笠?guī)模商業(yè)化的“殺手級”應(yīng)用。
圖片來源：英飛凌
氮化鎵在節(jié)能提效方面的潛力也不容小覷。功率氮化鎵目前的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一便是電動(dòng)汽車市場，包括車載充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、牽引逆變器等。安世半導(dǎo)體副總裁Carlos Castro指出，氮化鎵擁有更高的效率、更高的功率密度和更低的系統(tǒng)成本。與硅解決方案相比，碳化硅車載充電器將成本降低了約13%，而氮化鎵則將系統(tǒng)成本降低了24%。面向未來，氮化鎵功率器件將由低壓車載激光雷達(dá)應(yīng)用，逐步向需要更高電壓的主驅(qū)逆變器等應(yīng)用延伸。
碳化硅挺進(jìn)8英寸
隨著大型計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行所需的電能日益增加，全球?qū)Ω咝茈娮酉到y(tǒng)的需求不斷增長，碳化硅材料由此受到市場青睞。為提高碳化硅生產(chǎn)效率并降低成本，產(chǎn)業(yè)界正在大力推動(dòng)碳化硅晶圓從當(dāng)前主流的6英寸向8英寸升級。
業(yè)內(nèi)人士向記者指出，與6英寸相比，8英寸碳化硅的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在潛在成本、性能和參數(shù)均勻性等方面。以5×5毫米尺寸的芯片為例，一張8英寸晶圓實(shí)際能切出1080顆芯片，而一張6英寸只能做出576顆。據(jù)測算，8英寸碳化硅量產(chǎn)之后能夠推動(dòng)器件最終成本降低，降幅預(yù)計(jì)可達(dá)30％,甚至更高。
盡管碳化硅步入8英寸是大勢所趨，但其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程并非一蹴而就，在從6英寸向8英寸升級的過程中，襯底、晶圓、模塊封裝等諸多環(huán)節(jié)都面臨不同挑戰(zhàn)。其中，襯底端是產(chǎn)業(yè)鏈上最主要的挑戰(zhàn)，例如，在制造8英寸晶錠時(shí)還存在問題，8英寸襯底切割目前也有一定的難度。
從全球范圍來看，碳化硅的生產(chǎn)主要集中在美國、歐洲和日本，但亞洲廠商也在積極投資碳化硅生產(chǎn)設(shè)施，以滿足本地市場需求。2024年以來，8英寸碳化硅賽道的競爭異常激烈，意法半導(dǎo)體、英飛凌、安森美、羅姆半導(dǎo)體、三安光電等全球產(chǎn)業(yè)鏈廠商頻頻傳來最新進(jìn)展。
從8英寸線碳化硅的建線節(jié)奏來看，盡管建線周期可以壓縮到18個(gè)月，但量產(chǎn)的不確定性仍然很大，需要企業(yè)在追求速度的同時(shí)，高度重視質(zhì)量控制和工藝穩(wěn)定性。有業(yè)內(nèi)人士表示，預(yù)計(jì)從2026年至2027年開始，6英寸碳化硅產(chǎn)品都將被8英寸產(chǎn)品替代。博世半導(dǎo)體博世智能出行集團(tuán)中國區(qū)董事會(huì)高級執(zhí)行副總裁Norman Roth認(rèn)為，未來5年，碳化硅晶圓從6英寸向8英寸發(fā)展是大勢所趨。
氮化鎵生產(chǎn)能力提上議程
汽車在氮化鎵功率器件中的市場占比正在增大（圖片來源：YOLE）
隨著技術(shù)升級，氮化鎵半導(dǎo)體性能被進(jìn)一步開發(fā)，其應(yīng)用場景已不再局限于快充等消費(fèi)電子市場。目前，各大氮化鎵廠商都在全力擴(kuò)大自身產(chǎn)能，以期在更多新興領(lǐng)域搶奪更多的市場份額，但這也意味著制造廠商需要更先進(jìn)的制造能力、更精密的設(shè)備和更好的材料，來保證產(chǎn)品良率和生產(chǎn)速度。
半導(dǎo)體行業(yè)專家指出，氮化鎵的生長和加工過程遠(yuǎn)比硅基半導(dǎo)體復(fù)雜得多，且由于氮化鎵晶體結(jié)構(gòu)的特殊性，往往需要使用藍(lán)寶石或者碳化硅作為襯底。這些過程中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會(huì)導(dǎo)致成品率的大幅下降。此外，為滿足新一代氮化鎵的制造需求，制造設(shè)備在不斷地更新?lián)Q代，而具有更高精度和更好性能的新型設(shè)備價(jià)格不菲，給氮化鎵廠商帶來了巨大的資金壓力。這些挑戰(zhàn)不斷堆積，就會(huì)導(dǎo)致氮化鎵制造產(chǎn)線的建設(shè)時(shí)間越來越長。
鑒于擴(kuò)建產(chǎn)線耗時(shí)費(fèi)力成本高，越來越多的廠商開始選擇代工廠制造。
當(dāng)下，很多代工廠商已觀察到氮化鎵市場的廣闊前景，并提前開始布局。其中，代工龍頭臺(tái)積電一直對氮化鎵產(chǎn)業(yè)保持關(guān)注。早在2020年，臺(tái)積電宣布與意法半導(dǎo)體合作加速氮化鎵制程的開發(fā)。此外，納微半導(dǎo)體、VisIC Technologies也先后與臺(tái)積電在氮化鎵方面展開合作。
除了臺(tái)積電，格芯今年7月宣布收購Tagore Technology的功率氮化鎵技術(shù)及知識產(chǎn)權(quán)組合。據(jù)悉，已經(jīng)有企業(yè)開始委托格芯生產(chǎn)氮化鎵的產(chǎn)品。還有像聯(lián)電、世界先進(jìn)、穩(wěn)懋半導(dǎo)體、三安集成、X-Fab等代工廠商均有氮化鎵的代工業(yè)務(wù)。
專家表示，隨著各大代工廠商開始重視氮化鎵的生產(chǎn)能力，未來越來越多的氮化鎵廠商可能會(huì)尋求代工企業(yè)來生產(chǎn)一些產(chǎn)線造價(jià)過于昂貴的氮化鎵產(chǎn)品，這樣既節(jié)省了開支，又能更加專注于設(shè)計(jì)，氮化鎵技術(shù)的發(fā)展將更加順暢。
