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第三代半導(dǎo)體仍面臨著亟待突破的技術(shù)難題?

我快閉嘴 ? 來(lái)源:中國(guó)電子報(bào) ? 作者:張依依 ? 2020-09-22 10:05 ? 次閱讀

9月19日,英諾賽科蘇州第三代半導(dǎo)體基地舉行設(shè)備搬入儀式,基地已進(jìn)入量產(chǎn)準(zhǔn)備階段。此前,三安光電斥巨資在長(zhǎng)沙建設(shè)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)園,哈勃科技投資有限公司也出手投資了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的第三代半導(dǎo)體材料公司。“投資熱”的戲碼頻繁上演,表明第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已成為半導(dǎo)體行業(yè)實(shí)現(xiàn)突破的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

格局呈美歐日三足鼎立態(tài)勢(shì)

由于基于硅材料的功率半導(dǎo)體器件的性能已接近物理極限,以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)為代表的第三代半導(dǎo)體憑借其優(yōu)異的材料物理特性,在提升電力電子器件性能等方面展現(xiàn)出了巨大潛力。

特性優(yōu)越、應(yīng)用廣泛的第三代半導(dǎo)體材料吸引了國(guó)內(nèi)外企業(yè)紛紛對(duì)其加碼搶灘,而碳化硅和氮化鎵無(wú)疑是第三代半導(dǎo)體發(fā)展的核心方向。

全球SiC的產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國(guó)、歐洲、日本三足鼎立的態(tài)勢(shì)。美國(guó)的科銳、德國(guó)的英飛凌、日本的羅姆這三家公司占據(jù)了全球SiC市場(chǎng)約70%的份額,其中科銳、羅姆實(shí)現(xiàn)了從SiC襯底、外延、設(shè)計(jì)、器件及模塊制造的全產(chǎn)業(yè)鏈布局。

SiC的產(chǎn)業(yè)鏈主要由單晶襯底、外延、器件、制造和封測(cè)等環(huán)節(jié)構(gòu)成。在全球SiC產(chǎn)業(yè)鏈中,美國(guó)占據(jù)全球SiC市場(chǎng)70%~80%的產(chǎn)量,擁有科銳、道康寧、II-VI等在SiC生產(chǎn)上極具競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)。歐洲在SiC產(chǎn)業(yè)鏈的單晶襯底、外延、器件等環(huán)節(jié)均有布局,擁有較完整的SiC產(chǎn)業(yè)鏈。歐洲在該領(lǐng)域內(nèi)的代表公司有英飛凌、意法半導(dǎo)體等,且主流器件生產(chǎn)廠商采用IDM模式。日本則是設(shè)備、器件方面的領(lǐng)先者,羅姆半導(dǎo)體、三菱電機(jī)等公司在業(yè)內(nèi)舉足輕重。

GaN的產(chǎn)業(yè)鏈中也包含了襯底、外延、設(shè)計(jì)、制造和封測(cè)等環(huán)節(jié)。在GaN產(chǎn)業(yè)鏈中,國(guó)際巨頭公司仍占主導(dǎo)地位。據(jù)了解,英飛凌的CoolGaN已可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn);安森美與Transphorm共同開發(fā)并推廣了基于GaN的產(chǎn)品電源系統(tǒng)方案;美國(guó)EPC公司是首個(gè)推出增強(qiáng)型GaN FET的公司;意法半導(dǎo)體則是射頻硅基氮化鎵行業(yè)的領(lǐng)先者,目前正在擴(kuò)大6英寸硅基氮化鎵的產(chǎn)能,并計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)展至8英寸晶圓;臺(tái)積電、英特爾等也開始涉足于該領(lǐng)域,進(jìn)行硅基氮化鎵的代工開發(fā)。

賽迪顧問(wèn)股份有限公司新材料產(chǎn)業(yè)研究中心副總經(jīng)理?xiàng)钊鹆障蛴浾呓榻B,除了科銳、II-IV等公司,新日鐵柱金、Aymont、昭和電工、住友電氣、住友化學(xué)、三菱化學(xué)、古河電氣、Kyma、日立金屬和Monocrystal等廠商也在生產(chǎn)并提供第三代半導(dǎo)體材料。

目前國(guó)內(nèi)也有不少企業(yè)在生產(chǎn)、提供第三代半導(dǎo)體材料。楊瑞琳表示,天科合達(dá)、世紀(jì)金光、山東天岳、河北同光等國(guó)內(nèi)廠商在第三代半導(dǎo)體材料的生產(chǎn)方面有所布局。其中,采取IDM模式生產(chǎn)器件和模塊的企業(yè)有泰科天潤(rùn)、瑞能半導(dǎo)體。

仍面臨著亟待突破的技術(shù)難題

半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)離不開單晶襯底,理想的襯底材料可以提升外延膜的晶體質(zhì)量、提高半導(dǎo)體器件的工作效率和工作壽命等,因此襯底材料的優(yōu)化也是半導(dǎo)體器件制作過(guò)程中非常關(guān)鍵的一個(gè)步驟。

由于大尺寸的襯底可以有效降低器件的生產(chǎn)成本,并且更加易于加工,追求大尺寸的襯底已經(jīng)成為了第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。在SiC襯底的研發(fā)進(jìn)程方面,國(guó)內(nèi)外企業(yè)的步調(diào)基本一致。

現(xiàn)階段,SiC襯底的主流尺寸是4~6英寸,8英寸襯底已由國(guó)外的科銳公司研制成功。楊瑞琳指出,當(dāng)前國(guó)外廠商科銳已全面轉(zhuǎn)向了6英寸SiC產(chǎn)品,6英寸產(chǎn)品的商業(yè)化進(jìn)程進(jìn)展順利。科銳首批8英寸SiC襯底預(yù)計(jì)于2022年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

與此同時(shí),我國(guó)廠商也實(shí)現(xiàn)了6英寸SiC單晶襯底的小規(guī)模量產(chǎn),并計(jì)劃盡快實(shí)現(xiàn)8英寸襯底的量產(chǎn)。“目前國(guó)內(nèi)外企業(yè)均研制出了8英寸SiC襯底,因此國(guó)內(nèi)外企業(yè)針對(duì)SiC襯底的研發(fā)進(jìn)程幾乎相同。”楊瑞琳說(shuō)。

而在GaN襯底材料的研發(fā)方面,國(guó)內(nèi)外廠商的進(jìn)程仍然相同。楊瑞琳表示,目前國(guó)外廠商SiC基GaN的外延材料正在逐步向6英寸過(guò)渡,而我國(guó)用于微波射頻器件的SiC基GaN外延材料也在逐步向6英寸發(fā)展。在Si基GaN外延材料方面,當(dāng)前的主流尺寸為6英寸,而國(guó)內(nèi)廠商用于電力電子器件的Si基GaN外延已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了6英寸材料的產(chǎn)業(yè)化,并完成了8英寸材料的樣品研發(fā)。

雖然國(guó)內(nèi)外企業(yè)在第三代半導(dǎo)體襯底材料方面的研發(fā)進(jìn)程相同,在產(chǎn)品的整體工藝水平和質(zhì)量方面,國(guó)內(nèi)外企業(yè)還存在著技術(shù)代差。因此,我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還面臨著一些亟待突破的難題。

以SiC襯底材料為例,目前國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的襯底材料質(zhì)量還相對(duì)薄弱,主要用于生產(chǎn)10A以下小電流產(chǎn)品。而在SiC外延方面,國(guó)內(nèi)部分公司已經(jīng)具備提供4、6英寸的外延片的能力,但是高質(zhì)量、厚外延的量產(chǎn)技術(shù)仍被科銳、昭和等少數(shù)國(guó)外企業(yè)掌握。正如西安電子科技大學(xué)教授張玉明所言,我國(guó)還需提高SiC晶圓的尺寸和質(zhì)量,制造工藝柵界面調(diào)控技術(shù)還需加強(qiáng),成品率也需進(jìn)一步提升。賽迪顧問(wèn)分析師呂芃浩曾表示,除了要降低襯底缺陷,提高良率,做到大尺寸、低成本之外,SiC缺陷密度、外延工藝效率低、摻雜工藝的特殊要求、配套材料的耐溫等問(wèn)題也需要盡快解決。

另外,我國(guó)GaN材料在綜合指標(biāo)、器件性能等方面也需進(jìn)一步提升。經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展歷程,歐美日等國(guó)的企業(yè)已形成了較為成熟的GaN產(chǎn)業(yè)體系,而我國(guó)由于起步較晚,技術(shù)積累還存在不足。呂芃浩認(rèn)為,GaN高質(zhì)量、大尺寸籽晶獲取問(wèn)題是目前需要破解的難題之一。

應(yīng)避免投資熱后的“繁花落盡”

隨著新能源汽車市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,SiC在該領(lǐng)域的商業(yè)化進(jìn)程已經(jīng)開始。英飛凌科技大中華區(qū)高級(jí)副總裁兼汽車電子事業(yè)部負(fù)責(zé)人曹彥飛告訴記者,SiC商業(yè)化的價(jià)值在于提升整個(gè)汽車系統(tǒng)的效率,并在汽車?yán)锍淘黾拥耐瑫r(shí)減少電池成本,以彌補(bǔ)SiC與IGBT的價(jià)差。“當(dāng)SiC用于主逆變器,在800伏系統(tǒng)之下,我們已經(jīng)仿真。根據(jù)主機(jī)廠驗(yàn)證結(jié)果,它提升了約7%的續(xù)航里程,這體現(xiàn)了SiC商業(yè)化的價(jià)值。”曹彥飛還透露,當(dāng)前以英飛凌為代表的廠商在車載充電機(jī)、主逆變器等領(lǐng)域均有相應(yīng)的SiC產(chǎn)品推出,并且產(chǎn)品還會(huì)不斷更新迭代。

為把握SiC日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求,很多國(guó)內(nèi)廠商也在加緊布局第三代半導(dǎo)體SiC生產(chǎn)線。日前,華潤(rùn)微宣布國(guó)內(nèi)首條6英寸商用SiC晶圓生產(chǎn)線正式量產(chǎn);我國(guó)SiC全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)線已落地長(zhǎng)沙高新區(qū);鄭州航空港實(shí)驗(yàn)區(qū)管委會(huì)等機(jī)構(gòu)和公司簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議,將在鄭州航空港實(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)第三代化合物半導(dǎo)體SiC生產(chǎn)線。

5G商用進(jìn)程的不斷推進(jìn)也使從基站端到終端的射頻需求加速增長(zhǎng)。作為實(shí)現(xiàn)5G的核心材料,到2025年,GaN在射頻器件領(lǐng)域的占比將超過(guò)50%,未來(lái)10年GaN的市場(chǎng)規(guī)模有望超過(guò)30億美元。目前,國(guó)外廠商意法半導(dǎo)體正在與MACOM合作,瞄準(zhǔn)全球5G基站應(yīng)用,希望鞏固在第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)的領(lǐng)先地位。

為了在5G市場(chǎng)搶得先機(jī),國(guó)內(nèi)廠商研發(fā)GaN產(chǎn)業(yè)的熱度只增不減。國(guó)內(nèi)廠商三安集成和海威華芯具有量產(chǎn)GaN功率器件的能力,而海威華芯則是能提供6寸GaAs/GaN微波集成電路的純晶圓代工服務(wù)制造企業(yè)。此外,海陸重工參股10%的江蘇能化微擁有國(guó)內(nèi)首條8英寸GaN單晶生產(chǎn)線。進(jìn)入量產(chǎn)準(zhǔn)備階段的英諾賽科蘇州第三代半導(dǎo)體項(xiàng)目建成后將成為全球最大的集研發(fā)、設(shè)計(jì)、外延生產(chǎn)、芯片制造、測(cè)試等于一體的第三代半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)生產(chǎn)平臺(tái)。

當(dāng)前,國(guó)內(nèi)廠商對(duì)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的研發(fā)熱情高漲。但當(dāng)“投資熱”過(guò)后,產(chǎn)業(yè)是否會(huì)從“一哄而上”變?yōu)椤盁o(wú)人問(wèn)津”?

為了避免投資熱過(guò)后的“繁花落盡”,國(guó)內(nèi)企業(yè)需要正視市場(chǎng)需求,通過(guò)提升核心技術(shù)把握市場(chǎng)的新機(jī)遇。賽迪智庫(kù)集成電路研究所副所長(zhǎng)朱邵歆告訴記者,由于第三代半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)、鏈條環(huán)節(jié)多,產(chǎn)業(yè)鏈的末端面臨著最大風(fēng)險(xiǎn)。在沒有明確客戶的情況下,過(guò)早擴(kuò)充產(chǎn)能會(huì)造成資源浪費(fèi)等問(wèn)題,因此企業(yè)需要先了解市場(chǎng)需求,再進(jìn)行定制化生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)企業(yè)要注重產(chǎn)品質(zhì)量和關(guān)鍵技術(shù)水平的提升,而不是盲目投資產(chǎn)線。

朱邵歆表示,地方政府在相關(guān)項(xiàng)目落地前,應(yīng)委托在集成電路和第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域有深厚產(chǎn)業(yè)研究積累和案例的專業(yè)研究機(jī)構(gòu),對(duì)產(chǎn)品市場(chǎng)方向、技術(shù)團(tuán)隊(duì)能力、投資經(jīng)費(fèi)等進(jìn)行第三方評(píng)估,以解決項(xiàng)目落地前的信息不對(duì)稱問(wèn)題,避免不符合地方發(fā)展需求和實(shí)際情況的項(xiàng)目落地。
責(zé)任編輯:tzh

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    納微半導(dǎo)體作為GaNFast?氮化鎵和GeneSiC?碳化硅功率半導(dǎo)體的行業(yè)領(lǐng)軍者,近日正式推出了其最新研發(fā)的第三代快速(G3F)碳化硅MOSFETs產(chǎn)品系列,包括650V和1200V兩大規(guī)格。
    的頭像 發(fā)表于 06-11 16:24 ?993次閱讀

    2024北京(國(guó)際)第三代半導(dǎo)體創(chuàng)新發(fā)展論壇即將召開

    第三代半導(dǎo)體是全球半導(dǎo)體技術(shù)研究和新的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn),具有戰(zhàn)略性和市場(chǎng)性雙重特征,是推動(dòng)移動(dòng)通信、新能源汽車、高速列車、智能電網(wǎng)、新型顯示、通信傳感等產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)的新引擎,有望
    的頭像 發(fā)表于 05-20 10:15 ?817次閱讀
    2024北京(國(guó)際)<b class='flag-5'>第三代</b><b class='flag-5'>半導(dǎo)體</b>創(chuàng)新發(fā)展論壇即將召開

    一、二、三代半導(dǎo)體的區(qū)別

    在5G和新能源汽車等新市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)下,第三代半導(dǎo)體材料有望迎來(lái)加速發(fā)展。硅基半導(dǎo)體的性能已無(wú)法完全滿足5G和新能源汽車的需求,碳化硅和氮化鎵等第三代
    發(fā)表于 04-18 10:18 ?3109次閱讀
    一、二、<b class='flag-5'>三代</b><b class='flag-5'>半導(dǎo)體</b>的區(qū)別

    2023年第三代半導(dǎo)體融資超62起,碳化硅器件及材料成投資焦點(diǎn)

    電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/劉靜)在新能源汽車、光伏、儲(chǔ)能等新興領(lǐng)域的需求帶動(dòng)下,第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)近幾年高速增長(zhǎng)。盡管今年半導(dǎo)體經(jīng)濟(jì)不景氣,機(jī)構(gòu)投資整體更理性下,第三代
    的頭像 發(fā)表于 01-09 09:14 ?2319次閱讀
    2023年<b class='flag-5'>第三代</b><b class='flag-5'>半導(dǎo)體</b>融資超62起,碳化硅器件及材料成投資焦點(diǎn)
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