第三代半導(dǎo)體來勢洶洶 前代材料將全面退賽?


中國產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟信息網(wǎng)   時間:2021-04-15





  從半導(dǎo)體材料的三項重要參數(shù)看,第三代半導(dǎo)體材料在電子遷移率、飽和漂移速率、禁帶寬度三項指標(biāo)上均有著優(yōu)異的表現(xiàn)。


  半導(dǎo)體行業(yè)中有“一代材料、一代技術(shù)、 一代產(chǎn)業(yè)”的說法。


  與一些人對“工業(yè)王冠上的鉆石”生產(chǎn)制造上的斷言相似,在芯片制造中,材料若缺席,技術(shù)充其量就是一紙PPT,無法落地為產(chǎn)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(dǎo)體應(yīng)用技術(shù)的進步,5G、毫米波通訊、新能源汽車、光伏發(fā)電、航空航天等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵核心器件的性能將獲得質(zhì)的提升。


  以氮化鎵材料切入電源管理應(yīng)用為標(biāo)志,第三代半導(dǎo)體的“超級風(fēng)口”已呼嘯而至。


  《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標(biāo)綱要》已將推動“碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展”寫入了“科技前沿領(lǐng)域攻關(guān)”部分。


  化合物半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)迎來新風(fēng)貌


  當(dāng)?shù)谝淮?、第二代半?dǎo)體材料工藝逐漸接近物理極限,有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)瓶頸的第三代半導(dǎo)體材料成為行業(yè)發(fā)展的寵兒。


  事實上,國內(nèi)之所以將半導(dǎo)體材料以“代”來劃分,多少緣自于隨著半導(dǎo)體材料的大規(guī)模應(yīng)用而來的三次產(chǎn)業(yè)革命。


  第一代半導(dǎo)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(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。


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


  而以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體材料則有效推動著半導(dǎo)體照明、顯示、電力汽車等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。


  從半導(dǎo)體材料的三項重要參數(shù)看,第三代半導(dǎo)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(xué)性能)三項指標(biāo)上均強于硅材料器件。


  其中,最引人注目的是第三代半導(dǎo)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(dǎo)電性能強、工作速度快、工作損耗低。


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


  雖然硅材料沒有那么牛的參數(shù),但在可靠性和整體性能上,目前還沒有任何半導(dǎo)體材料可以和它抗衡。作為半導(dǎo)體行業(yè)人士心中的“終極半導(dǎo)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(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的風(fēng)貌迎來改變。


  化合物半導(dǎo)體泛指各種不以硅為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料,通??煞殖扇遄灏雽?dǎo)體與二六族半導(dǎo)體。


  三五族半導(dǎo)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(dǎo)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(shè)備都需要電源管理,當(dāng)?shù)壡瞄_電源管理這個龐大市場的大門,化合物半導(dǎo)體也開始展現(xiàn)出不容小覷的商業(yè)潛力。


  第三代半導(dǎo)體尚待產(chǎn)品導(dǎo)入


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


  然而,當(dāng)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(lǐng)域的應(yīng)用潛力就得到了驗證,為將節(jié)能視為首要需求的行業(yè)樹立了一塊樣板。


  雖然成本高昂、生產(chǎn)工藝不成熟等問題還待解決,但第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用之門已經(jīng)拉開了一條縫。


  阿里巴巴達摩院發(fā)布的2021十大科技趨勢將“第三代半導(dǎo)體迎來應(yīng)用大爆發(fā)”列在首位。


  達摩院認(rèn)為,未來五年,第三代半導(dǎo)體材料將在材料生長、器件制備等技術(shù)上實現(xiàn)突破,基于第三代半導(dǎo)體材料的電子器件將廣泛應(yīng)用于5G基站、新能源汽車、特高壓、數(shù)據(jù)中心等場景,大幅降低整體能耗。


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


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


  第三代半導(dǎo)體的難點不在設(shè)備和邏輯電路設(shè)計,要走向規(guī)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(fā)流程,持續(xù)滲透功率半導(dǎo)體領(lǐng)域,相關(guān)企業(yè)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(dǎo)體要走向規(guī)?;?、商用化,有些必要條件還需滿足。


  比如,細分領(lǐng)域的代際優(yōu)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(yè)端的差異化需求,應(yīng)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(wěn)定供貨及面向第三代半導(dǎo)體器件與電路的專業(yè)工程師群體的成長。


  不能錯過新一列半導(dǎo)體列車


  和設(shè)計環(huán)節(jié)相比,半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)的規(guī)模小得多,但技術(shù)要求更高,是整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的根基。


  芯片不是半導(dǎo)體行業(yè)的全部,卻對材料性能要求最為苛刻,生產(chǎn)工藝最為復(fù)雜,顯示面板次之,光伏面板最低。


  半導(dǎo)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(yè)多達上百個,也潛藏著很多隱形冠軍。


  在全球半導(dǎo)體材料供應(yīng)鏈中,日企占據(jù)主導(dǎo)地位。第三代半導(dǎo)體行業(yè)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(dǎo)體廠商在設(shè)計、制造和封測三個半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)取得了長足的進步,一些設(shè)計和封測廠商已進入全球領(lǐng)先陣營。


  但是,在半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)我們與國外廠商的差距依然很大,其所需的關(guān)鍵設(shè)備和半導(dǎo)體材料尤為薄弱。國內(nèi)第三代半導(dǎo)體企業(yè)多數(shù)還處于研發(fā)、項目建設(shè)或小批量供貨階段。


  相比傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體動輒高達千億級別的投資,第三代半導(dǎo)體投資強度小,但戰(zhàn)略意義大,被產(chǎn)學(xué)研各界視為我國擺脫集成電路產(chǎn)業(yè)對外依賴,實現(xiàn)技術(shù)追趕和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的突破口。


  中科院院士郝躍等專家認(rèn)為,我國第三代半導(dǎo)體發(fā)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(chǎn)業(yè)發(fā)展突破口。


  第三代半導(dǎo)體是科研領(lǐng)域的重要發(fā)展方向,企業(yè)在集成電路和半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域也開始大規(guī)模投入。


  但正如今年全國兩會期間全國政協(xié)委員王文銀表達的觀點,第三代半導(dǎo)體盈利釋放緩慢,應(yīng)該避免產(chǎn)業(yè)發(fā)展從一擁而上變?yōu)橐坏乩墙?,通過規(guī)劃引導(dǎo)將地方付出變?yōu)檎嬲漠a(chǎn)能。


  人們期待第三代半導(dǎo)體市場出現(xiàn)這樣一個群體——規(guī)模不必大卻擁有話語權(quán)及產(chǎn)業(yè)鏈把控能力,既能為常規(guī)經(jīng)濟高質(zhì)量運行提供保障和支撐,也能在關(guān)鍵時刻發(fā)揮奇兵效應(yīng)。(記者 劉艷)


  轉(zhuǎn)自:科技日報

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