寬禁帶半導體成為后摩爾時代半導體發(fā)展的“蹊徑”之一
11月17日,由工業(yè)和信息化部、安徽省人民政府共同主辦的2022世界集成電路大會在安徽省合肥市開幕。作為大會主題論壇之一,寬禁帶半導體技術(shù)創(chuàng)新論壇于18日下午成功舉辦。會上,多位專家和企業(yè)家針對寬禁帶半導體技術(shù)展開討論。 隨著后摩爾時代的來臨,以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導體,憑借優(yōu)異的物理特性逐漸走入了人們的視野,成為了集成電路技術(shù)中備受關注的領域,也被視為后摩爾時代半導體發(fā)展的“蹊徑”之
2022-12-02 11:11:59
來源:中國電子報、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)??
作者:沈叢

11月17日,由工業(yè)和信息化部、安徽省人民政府共同主辦的2022世界集成電路大會在安徽省合肥市開幕。作為大會主題論壇之一,寬禁帶半導體技術(shù)創(chuàng)新論壇于18日下午成功舉辦。會上,多位專家和企業(yè)家針對寬禁帶半導體技術(shù)展開討論。

隨著后摩爾時代的來臨,以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導體,憑借優(yōu)異的物理特性逐漸走入了人們的視野,成為了集成電路技術(shù)中備受關注的領域,也被視為后摩爾時代半導體發(fā)展的“蹊徑”之一。

第三代半導體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟副理事長兼秘書長楊富華認為,中國寬禁帶半導體產(chǎn)業(yè)正迎來戰(zhàn)略機遇期。目前,新型電力系統(tǒng)、高鐵、新能源汽車、5G/6G通信、半導體照明及超越照明、工業(yè)電機及消費電子市場等市場已啟動,應用需求將大大驅(qū)動技術(shù)創(chuàng)新。如今,在寬禁帶半導體領域中國已經(jīng)有了一定的技術(shù)儲備,且國際半導體產(chǎn)業(yè)和裝備巨頭還未形成專利、標準和規(guī)模的壟斷,中國與國際先進水平差距不大。此外,與集成電路相比,寬禁帶半導體領域的投資門檻不高,對工藝尺寸線寬、設計復雜度、裝備精密制造要求相對低。同時,中國精密加工制造技術(shù)和配套能力的進步迅猛,特別是有01、02專項的基礎,已經(jīng)具備開發(fā)并逐步主導該產(chǎn)業(yè)的能力和條件。

與此同時,寬禁帶半導體技術(shù)也面臨著重重挑戰(zhàn)。其一,材料瓶頸。在寬禁帶半導體領域,中國缺乏產(chǎn)業(yè)級和規(guī)?;南冗M材料研發(fā),碳化硅籽晶和單晶生長工藝控制技術(shù)與國際有一定差距。其二,芯片代差。中國在寬禁帶半導體領域的介質(zhì)材料、高溫高能量等工藝不成熟,芯片制造能力弱、產(chǎn)能不足,良率低、成本高、可靠性差。其三,應用迭代不足。中國的寬禁帶半導體技術(shù)在芯片設計與應用方面的匹配性不夠,上下游聯(lián)動迭代不夠,在系統(tǒng)中成本占比低,國產(chǎn)進入應用供應鏈難度大、周期長,產(chǎn)業(yè)化能力提升慢。其四,裝備依賴進口。如今,國產(chǎn)寬禁帶半導體的裝備技術(shù)引領性不足,處于跟跑狀態(tài),檢測設備基本全部依賴進口。其五,人才急缺。如今,中國半導體行業(yè)各層次人才規(guī)模不夠,高端和戰(zhàn)略性人才急缺。

中國電子科技集團公司第四十三研究所副所長胡朝春表示,寬禁帶器件的優(yōu)異特性能夠進一步提升功率轉(zhuǎn)換效率,是支撐能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、通信系統(tǒng)升級、新一代動力裝備的核心關鍵器件。此外,由于硅器件在功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的工作頻率、效率和工作溫度等已達極限,迫切需要采用寬禁帶器件來提升性能。

然而,如今寬禁帶半導體技術(shù)也面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。在系統(tǒng)設計方面,需要降低高頻電路帶來的損耗以及提升氮化鎵器件的可靠驅(qū)動。在封裝集成方面,需要突破高溫封裝技術(shù)、低寄生電感互連、高功率密度系統(tǒng)集成等技術(shù)難關。

意法半導體執(zhí)行副總裁、汽車和分立器件產(chǎn)品部(ADG)功率晶體管子產(chǎn)品部副總裁Edoardo Merli在視頻演講中提到,未來汽車的發(fā)展趨勢和目標包括:減輕重量、減少功率損耗、續(xù)航里程擴大到1000公里、減少充電次數(shù)及充電時間、提高可靠性、降低成本等。由于碳化硅器件擁有卓越的熱特性和電氣特性,順應了電動汽車的技術(shù)發(fā)展趨勢,為電動汽車逆變器技術(shù)帶來了顛覆性的變革。

深圳基本半導體有限公司總經(jīng)理和巍巍表示,碳化硅等寬禁帶半導體技術(shù)主要是在能量轉(zhuǎn)換里面發(fā)揮更優(yōu)異的作用。目前,碳化硅主要有兩個前瞻性的應用,其一是軌道交通,其二是智能電網(wǎng)。在軌道交通方面,日本的企業(yè)較為領先,2013年2月,三菱電機向東京地鐵供應混合碳化硅模塊,這是全球首次在軌道交通輔助電源上使用碳化硅器件。2020年7月,日本新干線新一代N700S系電力動車組投入運營,在牽引逆變器中采用了碳化硅器件作為核心功率器件。在智能電網(wǎng)方面,高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器、電力電子變壓器等裝置是主要應用場景。此外,如今高壓大電流碳化硅器件已經(jīng)達到萬伏級,國家電網(wǎng)預測2030年后將實現(xiàn)商業(yè)化應用,用于電網(wǎng)輸電環(huán)節(jié)的大容量變換設備,市場容量巨大。

SwissSEM Technologies AG公司CTO Arnost Kopta表示,碳化硅MOSFET的整體性能優(yōu)于硅IGBT,這是一個不容爭議的事實。但是,與IGBT相比,由于原材料、加工和產(chǎn)量等因素,碳化硅目前的總成本仍然較高。同時,碳化硅的一些優(yōu)勢也難以充分被利用,比如:更高的結(jié)溫;受到封裝的制約,更高的開關速度會造成更低的開關損耗;受到變流器寄生參數(shù)的制約。因此,碳化硅MOSFET和硅IGBT這兩個主要器件未來將共存很長一段時間,市場份額會根據(jù)系統(tǒng)的總成本來劃分,且隨著時間的推移,市場會變得更加成熟。

如今,各大碳化硅生產(chǎn)廠商加速8英寸晶圓的開發(fā)量產(chǎn)進程。北京北方華創(chuàng)微電子裝備有限公司副總經(jīng)理謝秋實認為,物聯(lián)網(wǎng)將成為8英寸晶圓重獲新生的關鍵驅(qū)動力。在物聯(lián)網(wǎng)時代,通過在各種各樣的日常用品內(nèi)嵌入傳感器和短距離移動收發(fā)器,使得人們能在信息與通信世界里獲得一個新的溝通維度,從任何時間、任何地點的人與人之間的溝通連接擴展到人與物、物與物之間的溝通連接。萬物都在產(chǎn)生著大量數(shù)據(jù),而數(shù)據(jù)需要被存儲、計算、分析、反饋。因此衍生出多種芯片共同推進不斷擴大的物聯(lián)網(wǎng)市場,通常物聯(lián)網(wǎng)芯片不僅包括集成在傳感器/模組中的基帶芯片、射頻芯片、定位芯片等,也包括嵌入在終端中的系統(tǒng)級芯片——嵌入式微處理器(MCU/SoC片上系統(tǒng)等),這些芯片也大多基于8英寸特色工藝生產(chǎn),可以說物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展給8英寸市場帶來了新的機遇。近年來,隨著智能工廠、智能樓宇、智能汽車、可穿戴設備以及智能醫(yī)療等先進科技應用場景和“萬物互聯(lián)”的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)芯片市場的規(guī)模節(jié)節(jié)攀升,2025年,全球物聯(lián)網(wǎng)設備將達到400億臺,市場爆發(fā)性增長。

青島聚能創(chuàng)芯微電子有限公司副總經(jīng)理李成認為,隨著人工智能、5G通訊、新能源汽車等技術(shù)的發(fā)展,對智能終端快速充電提出了更高要求,需要采用新型半導體器件以提升快充效率、減小快充體積。作為第三代半導體,氮化鎵器件得益于材料優(yōu)勢,在速度、效率、耐高溫等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件,在功率系統(tǒng)領域具有廣泛的應用前景。

與硅相比,氮化鎵具有3倍的禁帶寬度、10倍的擊穿電場強度、2.5倍的飽和載流子速度、1.5倍的電子遷移率。因此,氮化鎵材料在功率與微波領域,可以大幅提升器件與系統(tǒng)的功率密度、工作頻率與能量轉(zhuǎn)換效率,還可以實現(xiàn)綠色功率與微波器件技術(shù)。

北京三安光電有限公司副總經(jīng)理陳東坡表示,碳化硅成新能源車800V時代的超強風口。如今,電動汽車的續(xù)航里程低與充電時間長的問題急需破解,而800V高壓的快充模式,能大大減少熱損失并降低成本,成為了破解“雙焦慮”的最優(yōu)解決方案。而在高壓的工作環(huán)境下,IGBT會收到一定限制,而耐高壓、耐高溫的碳化硅材料更適合這樣的工作環(huán)境,因此碳化硅能很好地滿足新能源車800V系統(tǒng)的工作要求。

合肥芯谷微電子有限公司副總經(jīng)理黃軍恒介紹,氮化鎵射頻器件目前主流采用GaN-on-SiC技術(shù),部分采用GaN-on-Si技術(shù)。半絕緣型碳化硅襯底適用于做射頻氮化鎵器件,氮化鎵射頻應用的碳化硅基氮化家外延片4英寸和6英寸并存,海外6英寸代表企業(yè)有Wolfspeed、Qorvo、NXP,4英寸代表企業(yè)為住友電工;國內(nèi)碳化硅基氮化鎵外延片主要以4英寸為主。此外,5G通信將成為氮化鎵射頻器件未來主要市場應用領域。

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