硅材料逼近物理极限,第三代半导体如何接棒?

在去年3月官方发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,“集成电路”领域特别提出碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带半导体,也就是第三代半导体要取得长远发展。

在政策扶持及资本普遍看好的情形下,随着碳化硅进入新能源汽车产业链、氮化镓在快充上的规模化应用等等,第三代半导体逐步进入消费端和工业端,在功率半导体领域开始崭露头角,并成为目前科技领域最热门的话题之一。

第三代半导体目前究竟有多火,背后又还存在哪些技术挑战,从长远角度来看还需要解决哪些痛点。带着这些疑问,OFweek维科网·电子工程对话了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,一起深度了解第三代半导体产业背后的发展逻辑。

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

硅基半导体逼近物理极限,第三代半导体接棒

提起第三代半导体,就不得不先简单介绍下第一、二代半导体。第一代半导体又可以被称为初代半导体材料,主要以硅(Si)和锗(Ge)为代表,目前大部分半导体是基于硅基半导体。第二代半导体材料主要以GaAs为代表,是4G时代的大部分通信设备的材料。第三代半导体则是进入5G时代以来的主要材料。

第一、二代半导体的硅与砷化镓属于低带隙材料,数值分别为1.12 eV(电子伏特)和1.43 eV,而第三代(宽带隙)半导体的带隙,碳化硅和氮化镓分别达到3.2eV、3.4eV,因此当遇到高温、高压、高电流时,跟一、二代比起来,第三代半导体不会轻易从绝缘变成导电,特性更稳定,能源转换也更好。

由于传统工艺和硅材料逼近物理极限,技术研发费用剧增,制造节点的更新难度越来越大,“摩尔定律”演进开始放缓。第三代半导体材料是“超越摩尔定律”的重要发展内容,也是未来半导体产业发展的重要方向。

程文涛告诉OFweek维科网·电子工程,在功率转换领域,无论是第一/第二代半导体,还是第三代半导体,它所做出的贡献是一样的,就是提高效率。但是目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。“预计在未来几年,英飞凌推出的下一代产品或者紧随其后的新产品就将接近硅的物理极限,而第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献。”

众所周知,功率半导体技术一直以来的发展方向都很明确,就是提高能源转换效率,减少能源损耗,第三代半导体材料的出现正好顺应了这一发展潮流。

以碳化硅为例,碳化硅具有2倍于硅的饱和电子漂移速率,使得碳化硅器件具有极低的导通电阻,导通损耗低;碳化硅具有3倍于硅的禁带宽度,使得碳化硅器件泄漏电流比硅器件大幅减少,从而降低功率损耗;碳化硅器件在关断过程中不存在电流拖尾现象,开关损耗低,大幅提高实际应用的开关频率。

除此之外,由于第三代半导体材料的禁带宽度远远高于硅,所以它的寄生参数特别小,有助于推动设备的小型化和轻量化发展。程文涛也举例谈到:“现在手机用的快充,功率有的已经做到一百瓦以上,这在十年前简直无法想象。但是如果要用以前的硅基半导体材料来做充电器,尺寸就会做得很大。现在用氮化镓的材料来做,由于它的开关频率非常高,就可以把充电器的尺寸做得很小。”

第三代半导体工艺/成本难题该如何解决?

OFweek维科网·电子工程注意到,由于发展时间相对较短,当前的第三代半导体在技术层面值得关注的领域还有很多,比如碳化硅晶圆的冷切割技术,器件沟道结构优化,氮化镓门极结构优化,长期可靠性模型、成熟硅功率器件模块及封装技术的移植等等,都会对第三代半导体长期发展产生深远的影响。

而这几个领域也正是英飞凌第三代半导体产品开发过程中所专注和擅长的领域。据了解,英飞凌第三代半导体的差异化竞争优势主要是功率器件在设计过程中所采用的结构。

例如,英飞凌的碳化硅器件所采用的结构是沟槽式,这种结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。“现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题,”程文涛表示,“如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。”

随着第三代半导体的战略意义被广泛认知,众多半导体厂商加速布局,形成了包括衬底、外延、器件设计、流片、封装、系统在内的产业链条。但由于晶体生长速率慢、制备技术难度较大,大尺寸、高品质碳化硅衬底生产成本依旧较高,碳化硅衬底较低的供应量和较高的价格一直是制约碳化硅基器件大规模应用的主要因素之一,限制了产品在下游行业的应用和推广。

“受限于可靠性和价格因素,第三代半导体的整体商用规模还不大。毕竟第三代半导体相对而言是一个比较新的领域,还有很多模式并没有被完全理解消化,”程文涛对此表示,“我们预测,第三代半导体的价格在最近这些年有望大幅下降,朝着硅基半导体的水平趋近,但短时间内不会达到硅基半导体的水平。但在部分重视能源转换效率,对价格又不太敏感的领域,第三代半导体器件的用量将得以迅速提升。”

当然,从长远来看,第三代半导体在成本控制上也展现出了更强的潜力。一方面,第三代半导体有利于降低电力系统的整体成本和能源消耗;另一方面,由于硅材料的开发逼近极限,降价空间所剩无几,而第三代半导体随着市场规模持续提升,成本仍有较大的下调空间。

据OFweek维科网·电子工程了解,英飞凌一直走在SiC技术的最前沿,从1992年开始对包含SiC二极管在内的功率半导体进行研发,在2001年发布了世界上第一款商业化SiC功率二极管,此后至今英飞凌不断推出各种性能优异的SiC功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对SiC原材料的利用率,有效降低SiC的成本。

大功率转换赛道火热,第三代半导体未来可期

如今已经进入了21世纪的第三个十年期,第三代半导体产业格局相对于发展初期已经发生了巨大的变化。从英飞凌SiC器件的发展史,也折射出整个SiC技术的发展历程和趋势。具体而言,第三代半导体产业正在加速垂直整合,甚至形成了IDM、Fabless和Foundry合作并存的模式。这些都显示出,第三代半导体产业已经进入了大规模、高速发展的阶段。

在程文涛看来,到2025年全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。

当然,与硅基器件行业相比,第三代半导体产业发展时间相对较短,在标准化、成熟度等方面还有很长的路要走,尤其是在品质与长期可靠性方面,还有大量的研究和验证工作要做。至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。

程文涛也表示:“从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前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。目前可能在市面上看到一些定价接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接近硅基半导体,那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体。”他认为,在可预见的将来,基本上硅基半导体还是会占据大部分市场。碳化硅主要用在高功率、高电压的场景。氮化镓则主要是用在追求超高频率的场景,手机快充就是一个很显著的例子。

根据赛迪顾问预测,到2025年,氮化镓在射频器件领域占比有望超过50%,市场规模有望冲破30亿美元。碳化硅方面,在2025年有望达到30亿美元,汽车市场将成为碳化硅市场规模增长的重要驱动力。

另据Yole报告显示,从全球市场来看,2019功率器件的市场规模为5.41亿美元,受益于电动汽车、充电桩、光伏新能源等市场需求驱动,预计2025年将增长至25.62亿美元,复合年增长率高达30%。碳化硅衬底的需求有望因此获益并取得快速增长。整体看下来,第三代半导体市场未来值得期待!