探尋后摩爾時(shí)代 | 寬禁帶半導(dǎo)體：一場(chǎng)能源轉(zhuǎn)換鏈中的革命

作者：張心怡  來(lái)源：中國(guó)電子報(bào)、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)

         編者按：過(guò)去的半個(gè)多世紀(jì)，半導(dǎo)體行業(yè)一直遵循摩爾定律的軌跡高速發(fā)展，如今單純靠提升工藝來(lái)提升芯片性能的方法已經(jīng)無(wú)法充分滿足時(shí)代的需求，半導(dǎo)體行業(yè)也逐步進(jìn)入了“后摩爾時(shí)代”。后摩爾時(shí)代的來(lái)臨，給中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)會(huì)，《中國(guó)電子報(bào)》推出“探尋后摩爾時(shí)代集成電路的顛覆性技術(shù)”系列報(bào)道，對(duì)集成電路潛在顛覆性技術(shù)進(jìn)行梳理，探討每一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、產(chǎn)業(yè)難題、未來(lái)前景。敬請(qǐng)關(guān)注。

  以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶（第三代）半導(dǎo)體憑借優(yōu)異的物理特性，天然適合制作高壓、高頻、高功率的半導(dǎo)體器件。可以說(shuō)，寬禁帶半導(dǎo)體能實(shí)現(xiàn)硅材料難以實(shí)現(xiàn)的功能，也能在部分與硅材料交叉的領(lǐng)域達(dá)到更高的性能和更低的系統(tǒng)性成本，被視為后摩爾時(shí)代材料創(chuàng)新的關(guān)鍵角色。

  “寬禁帶半導(dǎo)體是對(duì)硅材料的有益補(bǔ)充，硅做不到的高頻可以通過(guò)氮化鎵來(lái)做，硅做不到的高壓可以通過(guò)碳化硅來(lái)做。這種補(bǔ)充和提升，是寬禁帶半導(dǎo)體在后摩爾時(shí)代的主要價(jià)值。”西安電子科技大學(xué)郭輝副教授向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示。

  電力電子技術(shù)的未來(lái)

  后摩爾時(shí)代不僅是集成電路技術(shù)的換擋器，也是全社會(huì)從信息化步入智能化時(shí)代的轉(zhuǎn)換階段，其中起到關(guān)鍵作用的人工智能、大數(shù)據(jù)、車聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)如何用電顯得非常關(guān)鍵。用電需求的提升與低碳環(huán)保的需求，讓更智慧、更高效的能源生產(chǎn)、傳輸、配送、儲(chǔ)存和使用方式成為后摩爾時(shí)代的剛需。

  “在整個(gè)能源轉(zhuǎn)換鏈中，寬禁帶半導(dǎo)體的節(jié)能潛力可為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的全球節(jié)能目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。寬禁帶技術(shù)將推動(dòng)電力電子器件提高效率、提高密度、縮小尺寸、減輕重量、降低總成本，因此將在數(shù)據(jù)中心、智能樓宇、個(gè)人電子設(shè)備等應(yīng)用場(chǎng)景中為能效提升作出貢獻(xiàn)。” 英飛凌科技電源與傳感事業(yè)部大中華區(qū)應(yīng)用市場(chǎng)總監(jiān)程文濤向《中國(guó)電子報(bào)》記者指出。

  高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率等物理特性，讓寬禁帶半導(dǎo)體天然適合對(duì)高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件要求較高的應(yīng)用，被視為電力電子領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)。

  “我們正在經(jīng)歷電力電子領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。寬禁帶器件提供三個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：提升效率、增加功率密度和降低系統(tǒng)成本。這些都是改變游戲規(guī)則的技術(shù)，而我們從未見過(guò)任何新技術(shù)在推出時(shí)就能夠比舊技術(shù)更具成本效益、擁有更廣泛的產(chǎn)品系列或擁有更多的成功案例。”安世半導(dǎo)體氮化鎵市場(chǎng)及營(yíng)銷總監(jiān)Giuliano Cassataro向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示。

  具體來(lái)看，寬禁帶半導(dǎo)體能提供低阻抗，以降低導(dǎo)通損耗，實(shí)現(xiàn)能效的提升。

  “寬禁帶半導(dǎo)體是電力電子技術(shù)的未來(lái)，能夠滿足客戶對(duì)阻抗和電容等參數(shù)的更高要求。電動(dòng)車及充電樁對(duì)高壓、高頻和高能效的需求正在推動(dòng)碳化硅的大幅增長(zhǎng)。在新能源領(lǐng)域，SiC 可應(yīng)用于太陽(yáng)能升壓逆變器，已有不少?gòu)S家開始使用SiC MOSFET作為主驅(qū)逆變的器件替換過(guò)去的三電平控制復(fù)雜電路。”安森美半導(dǎo)體電源方案部市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理袁光明向記者指出。

  寬禁帶提升能效的另一個(gè)表現(xiàn)，是提供了更高的功率密度。英飛凌科技工業(yè)功率控制事業(yè)部市場(chǎng)總監(jiān)陳子穎向記者表示，在電力電子系統(tǒng)應(yīng)用中，一直期待1200V以上耐壓的高速功率器件出現(xiàn)，這樣的器件當(dāng)今非SiC MOSFET莫屬。

  “1200V以上的SiC高速器件，可以通過(guò)提高系統(tǒng)的開關(guān)頻率來(lái)提高系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)功率密度。而硅MOSFET主要應(yīng)用在650V以下的中低壓功率領(lǐng)域。這就意味著，電動(dòng)汽車直流充電樁的功率單元如果采用硅 MOSFET，則需要兩路串聯(lián)，而采用SiC MOSFET，單路就可以實(shí)現(xiàn)，從而大大提高充電樁的功率單元單機(jī)功率。” 陳子穎說(shuō)。  

  頭部廠商跟進(jìn)

  目前，國(guó)際頭部廠商正在推動(dòng)寬禁帶半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)更高規(guī)格、更低阻抗、更低熱阻并持續(xù)提升生產(chǎn)能力。

  導(dǎo)通阻抗的降低，是寬禁帶產(chǎn)品迭代的重要指標(biāo)。安世半導(dǎo)體的氮化鎵晶體管在三年的發(fā)展和銷售中，導(dǎo)通阻抗從最初的 60 mΩ 的650V晶體管，降到了30mΩ 的新器件，即將達(dá)到5 mΩ。安森美最新推出的650V SiC MOSFET 采用有源單元設(shè)計(jì)，結(jié)合薄晶圓技術(shù)，使導(dǎo)通阻抗的品質(zhì)因數(shù)領(lǐng)先于同類產(chǎn)品。

  在熱阻方面，安森美新推出的1200 V SiC MOSFET 2 pack模塊采用了平面技術(shù)，其較大裸芯片與溝槽式MOSFET相比，降低了熱阻，從而在相同的工作溫度下降低了裸芯片溫度。

  以硅為襯底的氮化鎵器件，有效提升了寬禁帶半導(dǎo)體的性價(jià)比，安世半導(dǎo)體等企業(yè)已經(jīng)在硅基氮化鎵有所布局。

  “襯底是氮化鎵產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。襯底制備技術(shù)難度大，且面積大多在2到4英寸，成本高昂，所以直接在氮化鎵基上生長(zhǎng)外延是不劃算的。由于氮化鎵與碳化硅的晶格匹配非常好，Cree等廠商選擇在碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延，但是碳化硅的成本仍然偏高。后來(lái)業(yè)界將目光轉(zhuǎn)向藍(lán)寶石，可藍(lán)寶石的散熱能力難以滿足高頻、大功率場(chǎng)景的需求。硅基氮化鎵是一個(gè)兼得的方向，硅成本低，散熱能力較強(qiáng)，加速了氮化鎵器件的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。”郭輝說(shuō)。

  晶圓尺寸的提升和切割技術(shù)的創(chuàng)新，也在提升寬禁帶半導(dǎo)體的產(chǎn)能并降低生產(chǎn)成本。Cree、英飛凌、意法半導(dǎo)體等廠商已經(jīng)具備8英寸碳化硅晶圓量產(chǎn)能力。2018年英飛凌收購(gòu)了位于德累斯頓的初創(chuàng)公司Siltectra，其冷切割創(chuàng)新技術(shù)可高效處理晶體材料，最大限度減少材料損耗，使單片晶圓產(chǎn)出的芯片數(shù)量翻倍，從而有效降低SiC成本。

  封裝技術(shù)的優(yōu)化有利于寬禁帶器件的性能改進(jìn)。基本半導(dǎo)體總經(jīng)理和巍巍向記者指出，器件封裝也是增加產(chǎn)品附加值的重要維度，如在封裝上引入銀燒結(jié)等關(guān)鍵技術(shù)，可以更好地發(fā)揮碳化硅材料的特性，改善器件的質(zhì)量。陳子穎表示，低寄生電感封裝可以讓SiC器件更好地發(fā)揮高速性能，有效提高器件電流輸出能力，從而降低單位功率密度的成本。在氮化鎵領(lǐng)域，封裝也是新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。Giuliano Cassataro指出，習(xí)慣使用貼片封裝硅器件的設(shè)計(jì)人員可以輕松切換到氮化鎵，從而利用該技術(shù)提升效率、功率密度和成本優(yōu)勢(shì)。

  在可靠性和質(zhì)量保證方面，碳化硅器件有平面柵和溝槽柵兩種類型。英飛凌基于溝槽柵SiC MOSFET規(guī)避了平面柵的柵極氧化層可靠性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了更高的功率密度。

  目前頭部廠商的寬禁帶器件已經(jīng)來(lái)到1700V的產(chǎn)品規(guī)格。袁光明表示，寬禁帶會(huì)朝著更低阻抗、更低壓降、更低電容的方向發(fā)展。程文濤也指出，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(zhǎng)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，將繼續(xù)對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體的長(zhǎng)期發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

  產(chǎn)業(yè)化如何破題

  在《2021達(dá)摩院十大科技趨勢(shì)》（以下簡(jiǎn)稱《趨勢(shì)》）中，阿里達(dá)摩院將“以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體迎來(lái)應(yīng)用大爆發(fā)”置于首位。《趨勢(shì)》指出，隨著材料生長(zhǎng)、器件制備等技術(shù)的不斷突破，第三代半導(dǎo)體的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)并正在打開應(yīng)用市場(chǎng)。

  快充和新能源汽車的普及，為寬禁帶半導(dǎo)體在消費(fèi)市場(chǎng)的滲透創(chuàng)造了絕佳機(jī)遇。北京半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)副秘書長(zhǎng)朱晶向《中國(guó)電子報(bào)》記者指出，從器件層面看，寬禁帶半導(dǎo)體最大的市場(chǎng)主要是應(yīng)用SiC 功率器件的新能源汽車和硅基GaN器件的消費(fèi)類快充市場(chǎng)，目前國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出大量企業(yè)布局此類產(chǎn)品。在碳化硅方面，車規(guī)級(jí)SiC SBD 和MOSFET成為關(guān)注焦點(diǎn)，多家企業(yè)推出符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)的SiC量產(chǎn)產(chǎn)品。氮化鎵方面，目前國(guó)內(nèi)已有數(shù)十家主流電源廠商開辟了氮化鎵快充產(chǎn)品線，推出的氮化鎵快充新品多達(dá)數(shù)百款。伴隨著氮化鎵快充市場(chǎng)的迅速爆發(fā)，氮化鎵功率器件、快充協(xié)議芯片以及氮化鎵控制芯片均全面實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，國(guó)內(nèi)氮化鎵企業(yè)也伴隨著快充市場(chǎng)的發(fā)展而迅速壯大。

  一段時(shí)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)寬禁帶半導(dǎo)體在器件開發(fā)、產(chǎn)能建設(shè)、制備技術(shù)、應(yīng)用推廣等領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)展，初步形成了技術(shù)和產(chǎn)業(yè)體系。但在產(chǎn)業(yè)規(guī)模和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力上，仍與國(guó)際先進(jìn)水平存在差距。

  朱晶指出，國(guó)內(nèi)6英寸SiC襯底材料和外延依然與國(guó)際領(lǐng)先水平存在較大差距。盡管企業(yè)建設(shè)第三代半導(dǎo)體生產(chǎn)線的積極性很高，但仍未改變產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、力量散，缺乏國(guó)際一流的碳化硅、氮化鎵制造或IDM企業(yè)的局面。

  郭輝也表示，國(guó)內(nèi)寬禁帶半導(dǎo)體在材料技術(shù)和器件可靠性上仍需提升。在材料生長(zhǎng)上，Cree等企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)8英寸襯底量產(chǎn)，而國(guó)內(nèi)企業(yè)的8英寸襯底基本還停留在實(shí)驗(yàn)室樣品階段。在器件產(chǎn)品上，意法半導(dǎo)體的碳化硅器件已經(jīng)在特斯拉搭載多年，國(guó)內(nèi)企業(yè)的車規(guī)級(jí)碳化硅器件上車驗(yàn)證的時(shí)間較短，產(chǎn)量和可靠性有待增強(qiáng)。

  要抓住市場(chǎng)應(yīng)用帶來(lái)的發(fā)展紅利，實(shí)現(xiàn)寬禁帶半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)需要通過(guò)技術(shù)改進(jìn)和產(chǎn)能提升來(lái)找到市場(chǎng)與技術(shù)的平衡點(diǎn)，基于供應(yīng)鏈協(xié)同能力打造市場(chǎng)與供給之間的良性循環(huán)，并形成理智、耐心的發(fā)展基調(diào)。

  和巍巍向記者指出，寬禁帶半導(dǎo)體從開始試用向大規(guī)模應(yīng)用邁進(jìn)，其難點(diǎn)在于如何使成本與市場(chǎng)需求達(dá)到平衡點(diǎn)，行業(yè)的發(fā)展正在從解決產(chǎn)品長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題向追求性價(jià)比方向邁進(jìn)，如6寸碳化硅襯底材料的大批量應(yīng)用、薄襯底片切割技術(shù)的嘗試與應(yīng)用、設(shè)計(jì)優(yōu)化帶來(lái)器件功率密度的提升等，都在促進(jìn)第三代半導(dǎo)體功率器件的降本增效，促進(jìn)其規(guī)模化應(yīng)用。

  朱晶表示，在SiC襯底材料和外延等基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，加快建立適應(yīng)國(guó)內(nèi)最終需求的集成電路供給體系，打造基于國(guó)產(chǎn)芯片供應(yīng)鏈體系的內(nèi)循環(huán)生態(tài)，形成超大規(guī)模市場(chǎng)與供給能力提升之間的良性循環(huán)。

  對(duì)于產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)主體，郭輝提出了兩個(gè)關(guān)鍵詞：沖勁兒和耐心。“寬禁帶是一個(gè)回報(bào)周期長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)，無(wú)論投資、研發(fā)還是形成產(chǎn)能，都不是立竿見影能看到效果的，各方不能抱著掙快錢的心態(tài)入行。國(guó)內(nèi)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)、市場(chǎng)主體、投資方和政策制定方既要有沖勁，也要有耐心。大家一起咬住牙，共同努力3~5年，產(chǎn)業(yè)的狀況就會(huì)改善很多。”郭輝說(shuō)。