以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶（第三代）半導體憑借優(yōu)異的物理特性，天然適合制作高壓、高頻、高功率的半導體器件?？梢哉f，寬禁帶半導體能實現(xiàn)硅材料難以實現(xiàn)的功能，也能在部分與硅材料交叉的領(lǐng)域達到更高的性能和更低的系統(tǒng)性成本，被視為后摩爾時代材料創(chuàng)新的關(guān)鍵角色。
“寬禁帶半導體是對硅材料的有益補充，硅做不到的高頻可以通過氮化鎵來做，硅做不到的高壓可以通過碳化硅來做。這種補充和提升，是寬禁帶半導體在后摩爾時代的主要價值。”西安電子科技大學郭輝副教授向記者表示。
電力電子技術(shù)的未來
后摩爾時代不僅是集成電路技術(shù)的換擋器，也是全社會從信息化步入智能化時代的轉(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、儲存和使用方式成為后摩爾時代的剛需。
“在整個能源轉(zhuǎn)換鏈中，寬禁帶半導體的節(jié)能潛力可為實現(xiàn)長期的全球節(jié)能目標作出貢獻。寬禁帶技術(shù)將推動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、個人電子設備等應用場景中為能效提升作出貢獻。” 英飛凌科技電源與傳感事業(yè)部大中華區(qū)應用市場總監(jiān)程文濤向記者指出。
高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率等物理特性，讓寬禁帶半導體天然適合對高溫、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)域的一場革命。寬禁帶器件提供三個主要優(yōu)勢：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)，而我們從未見過任何新技術(shù)在推出時就能夠比舊技術(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。”安世半導體氮化鎵市場及營銷總監(jiān)Giuliano Cassataro向記者表示。
具體來看，寬禁帶半導體能提供低阻抗，以降低導通損耗，實現(xiàn)能效的提升。
“寬禁帶半導體是電力電子技術(shù)的未來，能夠滿足客戶對阻抗和電容等參數(shù)的更高要求。電動車及充電樁對高壓、高頻和高能效的需求正在推動碳化硅的大幅增長。在新能源領(lǐng)域，SiC 可應用于太陽能升壓逆變器，已有不少廠家開始使用SiC MOSFET作為主驅(qū)逆變的器件替換過去的三電平控制復雜電路。”安森美半導體電源方案部市場營銷經(jīng)理袁光明向記者指出。
寬禁帶提升能效的另一個表現(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)部市場總監(jiān)陳子穎向記者表示，在電力電子系統(tǒng)應用中，一直期待1200V以上耐壓的高速功率器件出現(xiàn)，這樣的器件當今非SiC MOSFET莫屬。
“1200V以上的SiC高速器件，可以通過提高系統(tǒng)的開關(guān)頻率來提高系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)功率密度。而硅MOSFET主要應用在650V以下的中低壓功率領(lǐng)域。這就意味著，電動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，單路就可以實現(xiàn)，從而大大提高充電樁的功率單元單機功率。” 陳子穎說。
頭部廠商跟進
目前，國際頭部廠商正在推動寬禁帶半導體實現(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。
導通阻抗的降低，是寬禁帶產(chǎn)品迭代的重要指標。安世半導體的氮化鎵晶體管在三年的發(fā)展和銷售中，導通阻抗從最初的 60 mΩ 的650V晶體管，降到了30mΩ 的新器件，即將達到5 mΩ。安森美最新推出的650V SiC MOSFET 采用有源單元設計，結(jié)合薄晶圓技術(shù)，使導通阻抗的品質(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體的性價比，安世半導體等企業(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氮化鎵外延，但是碳化硅的成本仍然偏高。后來業(yè)界將目光轉(zhuǎn)向藍寶石，可藍寶石的散熱能力難以滿足高頻、大功率場景的需求。硅基氮化鎵是一個兼得的方向，硅成本低，散熱能力較強，加速了氮化鎵器件的產(chǎn)業(yè)化進程。”郭輝說。
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體的產(chǎn)能并降低生產(chǎn)成本。Cree、英飛凌、意法半導體等廠商已經(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?；景雽w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，習慣使用貼片封裝硅器件的設計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。
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題，實現(xiàn)了更高的功率密度。
目前頭部廠商的寬禁帶器件已經(jīng)來到1700V的產(chǎn)品規(guī)格。袁光明表示，寬禁帶會朝著更低阻抗、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)對寬禁帶半導體的長期發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。
產(chǎn)業(yè)化如何破題
在《2021達摩院十大科技趨勢》（以下簡稱《趨勢》）中，阿里達摩院將“以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體迎來應用大爆發(fā)”置于首位?！囤厔荨分赋觯S著材料生長、器件制備等技術(shù)的不斷突破，第三代半導體的性價比優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)并正在打開應用市場。
快充和新能源汽車的普及，為寬禁帶半導體在消費市場的滲透創(chuàng)造了絕佳機遇。北京半導體行業(yè)協(xié)會副秘書長朱晶向記者指出，從器件層面看，寬禁帶半導體最大的市場主要是應用SiC 功率器件的新能源汽車和硅基GaN器件的消費類快充市場，目前國內(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SiC SBD 和MOSFET成為關(guān)注焦點，多家企業(yè)推出符合AEC-Q101標準的SiC量產(chǎn)產(chǎn)品。氮化鎵方面，目前國內(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數(shù)百款。伴隨著氮化鎵快充市場的迅速爆發(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現(xiàn)國產(chǎn)化，國內(nèi)氮化鎵企業(yè)也伴隨著快充市場的發(fā)展而迅速壯大。
一段時期以來，國內(nèi)寬禁帶半導體在器件開發(fā)、產(chǎn)能建設、制備技術(shù)、應用推廣等領(lǐng)域取得了一定的進展，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)品競爭力上，仍與國際先進水平存在差距。
朱晶指出，國內(nèi)6英寸SiC襯底材料和外延依然與國際領(lǐng)先水平存在較大差距。盡管企業(yè)建設第三代半導體生產(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，國內(nèi)寬禁帶半導體在材料技術(shù)和器件可靠性上仍需提升。在材料生產(chǎn)上，Cree等企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)8英寸襯底量產(chǎn)，而國內(nèi)企業(yè)的8英寸襯底基本還停留在實驗室樣品階段。在器件產(chǎn)品上，意法半導體的碳化硅器件已經(jīng)在特斯拉搭載多年，國內(nèi)企業(yè)的車規(guī)級碳化硅器件上車驗證的時間較短，產(chǎn)量和可靠性有待增強。
要抓住市場應用帶來的發(fā)展紅利，實現(xiàn)寬禁帶半導體的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)需要通過技術(shù)改進和產(chǎn)能提升來找到市場與技術(shù)的平衡點，基于供應鏈協(xié)同能力打造市場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，寬禁帶半導體從開始試用向大規(guī)模應用邁進，其難點在于如何使成本與市場需求達到平衡點，行業(yè)的發(fā)展正在從解決產(chǎn)品長期可靠性問題向追求性價比方向邁進，如6寸碳化硅襯底材料的大批量應用、薄襯底片切割技術(shù)的嘗試與應用、設計優(yōu)化帶來器件功率密度的提升等，都在促進第三代半導體功率器件的降本增效，促進其規(guī)?；瘧?。
朱晶表示，在SiC襯底材料和外延等基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，加快建立適應國內(nèi)最終需求的集成電路供給體系，打造基于國產(chǎn)芯片供應鏈體系的內(nèi)循環(huán)生態(tài)，形成超大規(guī)模市場與供給能力提升之間的良性循環(huán)。
對于產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)主體，郭輝提出了兩個關(guān)鍵詞：沖勁兒和耐心。“寬禁帶是一個回報周期長的產(chǎn)業(yè)，無論投資、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。國內(nèi)的技術(shù)團隊、市場主體、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)的狀況就會改善很多。”郭輝說。
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今年，每兩年一屆的全國寬禁帶半導體學術(shù)會議（WBSC）迎來了第四屆，將于2021年11月7-10日在美麗的鷺島廈門舉辦。由中國有色金屬學會寬禁帶半導體專業(yè)委員會、中國電子學會電子材料學分會、第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟共同主辦，廈門大學和南京大學聯(lián)合承辦。
據(jù)了解，本屆大會以“芯動力·新征程--寬禁帶半導體的機遇與挑戰(zhàn)”為主題，由廈門大學校長張榮教授與第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟吳玲理事長共同擔任大會主席。同時，邀請了強大的顧問委員會、程序委員會、組織委員會專家團。其中，特邀請科學技術(shù)部原副部長曹健林，中國科學院院士、北京大學物理系教授甘子釗，中國科學院院士、南京大學教授鄭有炓共同擔任大會名譽主席；特邀請北京大學理學部副主任沈波教授擔任程序委員會主席，中科院半導體所研究員李晉閩，江蘇第三代半導體研究院院長、中科院蘇州納米所副所長徐科，第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長于坤山，國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書長阮軍共同擔任程序委員會副主席；特邀請廣東省科學院半導體研究所所長陳志濤和南京大學電子科學與工程學院副院長、教授劉斌共同擔任組織委員會主席，中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所原所長楊輝，北大東莞光電研究院常務副院長、寬禁帶半導體中心主任張國義擔任大會副主席；廈門大學教授康俊勇?lián)未髸?zhí)行主席。
屆時，大會強大的專家團隊將與來自國內(nèi)寬禁帶半導體領(lǐng)域?qū)W術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的專家學者、科研技術(shù)人員、院校師生、企業(yè)家代表們一道，圍繞寬禁帶半導體材料生長技術(shù)、材料結(jié)構(gòu)與物性、光電子和電子器件研發(fā)以及相關(guān)設備研發(fā)等領(lǐng)域開展廣泛交流，促進產(chǎn)學研用的交流合作。深信這次會議必將對我國寬禁帶半導體材料與器件的學術(shù)研究、技術(shù)進步、產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到有力的推動作用。
據(jù)組委會介紹，目前大會征文及報名工作正有序進行中，正面向?qū)捊麕О雽w材料生長機理和生長動力學；寬禁帶半導體外延結(jié)構(gòu)與物性表征；寬禁帶半導體光電子器件；寬禁帶半導體電子器件；新型寬禁帶半導體材料與器件等主題方向征文。組委會提示：論文摘要提交將于8月10日截止，報告錄用通知將于9月1日截止，報名繳費優(yōu)惠將于9月10日截止。歡迎相關(guān)領(lǐng)域的專家、學者、行業(yè)企事業(yè)單位參會交流！更多詳情見大會官網(wǎng)：www.wbsc.org.cn
