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第三代半導體來勢洶洶 前代材料將全面退賽?

第三代半導體來勢洶洶 前代材料將全面退賽?

2021年04月15日 05:03 來源:科技日報參與互動參與互動

  第三代半導體來勢洶洶 前代材料將全面退賽?

  集成電路系列報道②

  ◎本報記者 劉 艷

  從半導體材料的三項重要參數看,第三代半導體材料在電子遷移率、飽和漂移速率、禁帶寬度三項指標上均有著優異的表現。

  半導體行業中有“一代材料、一代技術、 一代產業”的說法。

  與一些人對“工業王冠上的鉆石”生產制造上的斷言相似,在芯片制造中,材料若缺席,技術充其量就是一紙PPT,無法落地為產品。

  隨著以碳化硅、氮化鎵等寬禁帶化合物為代表的第三代半導體應用技術的進步,5G、毫米波通訊、新能源汽車、光伏發電、航空航天等戰略新興產業的關鍵核心器件的性能將獲得質的提升。

  以氮化鎵材料切入電源管理應用為標志,第三代半導體的“超級風口”已呼嘯而至。

  《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》已將推動“碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導體發展”寫入了“科技前沿領域攻關”部分。

  化合物半導體制造產業迎來新風貌

  當第一代、第二代半導體材料工藝逐漸接近物理極限,有望突破傳統半導體技術瓶頸的第三代半導體材料成為行業發展的寵兒。

  事實上,國內之所以將半導體材料以“代”來劃分,多少緣自于隨著半導體材料的大規模應用而來的三次產業革命。

  第一代半導體材料以硅(Si)為代表,其取代了笨重的電子管,推動了以集成電路為核心的微電子產業的迅猛發展。

  第二代半導體材料以砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)等為主,磷化銦半導體激光器是光通信系統的關鍵器件,砷化鎵高速器件更開拓了光纖及移動通信新產業。

  而以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導體材料則有效推動著半導體照明、顯示、電力汽車等產業的發展。

  從半導體材料的三項重要參數看,第三代半導體材料在電子遷移率(低壓條件下的高頻工作性能)、飽和漂移速率(高壓條件下的高頻工作性能)、禁帶寬度(器件的耐壓性能、最高工作溫度與光學性能)三項指標上均強于硅材料器件。

  其中,最引人注目的是第三代半導體的“寬禁帶(Wide Band-Gap,WBG)”。高禁帶寬度的好處是,器件耐高壓、耐高溫,并且功率大、抗輻射、導電性能強、工作速度快、工作損耗低。

  但參數的優異并不意味著半導體材料一代更比一代好。事實上,一、二、三代半導體材料各有其適合的應用范疇,在未來很長的時間中,這三代半導體材料還將共存。

  雖然硅材料沒有那么牛的參數,但在可靠性和整體性能上,目前還沒有任何半導體材料可以和它抗衡。作為半導體行業人士心中的“終極半導體”,金剛石甚至連實驗室都還沒走出。

  但同時我們可以看到,隨著氮化鎵材料切入電源管理,化合物半導體制造產業的風貌迎來改變。

  化合物半導體泛指各種不以硅為基礎的半導體材料,通常可分成三五族半導體與二六族半導體。

  三五族半導體由三族的元素鋁、鎵、銦及五族的元素氮、磷、砷、銻等組成。二六族半導體則是由二族的元素鋅、鎘、汞和六族元素硫、硒、碲形成的化合物。

  所有電子設備都需要電源管理,當氮化鎵敲開電源管理這個龐大市場的大門,化合物半導體也開始展現出不容小覷的商業潛力。

  第三代半導體尚待產品導入

  由于制備工藝成熟、自然界儲備量大且應用廣泛,硅材料器件有著難以逾越的價格優勢。

  然而,當特斯拉為了行駛里程僅5%的提升,不惜以成本高幾倍的代價率先全面采用碳化硅時,這種新材料在新能源汽車及配套領域的應用潛力就得到了驗證,為將節能視為首要需求的行業樹立了一塊樣板。

  雖然成本高昂、生產工藝不成熟等問題還待解決,但第三代半導體的應用之門已經拉開了一條縫。

  阿里巴巴達摩院發布的2021十大科技趨勢將“第三代半導體迎來應用大爆發”列在首位。

  達摩院認為,未來五年,第三代半導體材料將在材料生長、器件制備等技術上實現突破,基于第三代半導體材料的電子器件將廣泛應用于5G基站、新能源汽車、特高壓、數據中心等場景,大幅降低整體能耗。

  可以預見的是,隨著5G、新能源汽車等市場對第三代半導體的需求擴大,以及制備技術特別是大尺寸材料生長技術不斷獲得突破,第三代半導體的性價比也將得到提升。

  第三代半導體在高溫、強輻射、大功率等特殊場景中的優勢顯著。但在可預見的功率器件等第三代半導體最有潛力的市場中,硅材料目前仍占主導地位,讓企業從已經成熟的硅產品線切換到第三代半導體,并不是件容易的事。

  第三代半導體的難點不在設備和邏輯電路設計,要走向規模商用,如何有效降低襯底價格、提高尺寸,如何配合不同材料的制程條件形成有效開發流程,持續滲透功率半導體領域,相關企業還需努力。

  在達摩院十大科技趨勢項目組專家看來,第三代半導體要走向規模化、商用化,有些必要條件還需滿足。

  比如,細分領域的代際優勢獲得市場進一步驗證,元器件可靠性能夠滿足整機廠商對消費端及工業端的差異化需求,應用端利潤可基本覆蓋材料到制程的投入,代工體系有效支撐通用芯片的穩定供貨及面向第三代半導體器件與電路的專業工程師群體的成長。

  不能錯過新一列半導體列車

  和設計環節相比,半導體制造環節的規模小得多,但技術要求更高,是整個半導體產業的根基。

  芯片不是半導體行業的全部,卻對材料性能要求最為苛刻,生產工藝最為復雜,顯示面板次之,光伏面板最低。

  半導體材料涉及各種金屬、合金、非金屬,各類元素以及酸、堿等各類試劑,細分子行業多達上百個,也潛藏著很多隱形冠軍。

  在全球半導體材料供應鏈中,日企占據主導地位。第三代半導體行業中,歐美日廠商三足鼎立,全球70%—80%的碳化硅市場由美國把控。

  近年來,我國半導體廠商在設計、制造和封測三個半導體芯片產業關鍵環節取得了長足的進步,一些設計和封測廠商已進入全球領先陣營。

  但是,在半導體制造環節我們與國外廠商的差距依然很大,其所需的關鍵設備和半導體材料尤為薄弱。國內第三代半導體企業多數還處于研發、項目建設或小批量供貨階段。

  相比傳統硅半導體動輒高達千億級別的投資,第三代半導體投資強度小,但戰略意義大,被產學研各界視為我國擺脫集成電路產業對外依賴,實現技術追趕和產業發展的突破口。

  中科院院士郝躍等專家認為,我國第三代半導體發展水平與國際先進水平差距不大,可以成為國家集成電路產業發展突破口。

  第三代半導體是科研領域的重要發展方向,企業在集成電路和半導體技術領域也開始大規模投入。

  但正如今年全國兩會期間全國政協委員王文銀表達的觀點,第三代半導體盈利釋放緩慢,應該避免產業發展從一擁而上變為一地狼藉,通過規劃引導將地方付出變為真正的產能。

  人們期待第三代半導體市場出現這樣一個群體——規模不必大卻擁有話語權及產業鏈把控能力,既能為常規經濟高質量運行提供保障和支撐,也能在關鍵時刻發揮奇兵效應。

【編輯:張楷欣】
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