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第三代半导体来势汹汹 前代材料将全面退赛?

来源:科技日报2021-04-20 12:30

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  第三代半导体来势汹汹 前代材料将全面退赛?

  集成电路系列报道②

  ◎本报记者 刘 艳

  从半导体材料的三项重要参数看,第三代半导体材料在电子迁移率、饱和漂移速率、禁带宽度三项指标上均有着优异的表现。

  半导体行业中有“一代材料、一代技术、 一代产业”的说法。

  与一些人对“工业王冠上的钻石”生产制造上的断言相似,在芯片制造中,材料若缺席,技术充其量就是一纸PPT,无法落地为产品。

  随着以碳化硅、氮化镓等宽禁带化合物为代表的第三代半导体应用技术的进步,5G、毫米波通讯、新能源汽车、光伏发电、航空航天等战略新兴产业的关键核心器件的性能将获得质的提升。

  以氮化镓材料切入电源管理应用为标志,第三代半导体的“超级风口”已呼啸而至。

  《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》已将推动“碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展”写入了“科技前沿领域攻关”部分。

  化合物半导体制造产业迎来新风貌

  当第一代、第二代半导体材料工艺逐渐接近物理极限,有望突破传统半导体技术瓶颈的第三代半导体材料成为行业发展的宠儿。

  事实上,国内之所以将半导体材料以“代”来划分,多少缘自于随着半导体材料的大规模应用而来的三次产业革命。

  第一代半导体材料以硅(Si)为代表,其取代了笨重的电子管,推动了以集成电路为核心的微电子产业的迅猛发展。

  第二代半导体材料以砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)等为主,磷化铟半导体激光器是光通信系统的关键器件,砷化镓高速器件更开拓了光纤及移动通信新产业。

  而以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料则有效推动着半导体照明、显示、电力汽车等产业的发展。

  从半导体材料的三项重要参数看,第三代半导体材料在电子迁移率(低压条件下的高频工作性能)、饱和漂移速率(高压条件下的高频工作性能)、禁带宽度(器件的耐压性能、最高工作温度与光学性能)三项指标上均强于硅材料器件。

  其中,最引人注目的是第三代半导体的“宽禁带(Wide Band-Gap,WBG)”。高禁带宽度的好处是,器件耐高压、耐高温,并且功率大、抗辐射、导电性能强、工作速度快、工作损耗低。

  但参数的优异并不意味着半导体材料一代更比一代好。事实上,一、二、三代半导体材料各有其适合的应用范畴,在未来很长的时间中,这三代半导体材料还将共存。

  虽然硅材料没有那么牛的参数,但在可靠性和整体性能上,目前还没有任何半导体材料可以和它抗衡。作为半导体行业人士心中的“终极半导体”,金刚石甚至连实验室都还没走出。

  但同时我们可以看到,随着氮化镓材料切入电源管理,化合物半导体制造产业的风貌迎来改变。

  化合物半导体泛指各种不以硅为基础的半导体材料,通常可分成三五族半导体与二六族半导体。

  三五族半导体由三族的元素铝、镓、铟及五族的元素氮、磷、砷、锑等组成。二六族半导体则是由二族的元素锌、镉、汞和六族元素硫、硒、碲形成的化合物。

  所有电子设备都需要电源管理,当氮化镓敲开电源管理这个庞大市场的大门,化合物半导体也开始展现出不容小觑的商业潜力。

  第三代半导体尚待产品导入

  由于制备工艺成熟、自然界储备量大且应用广泛,硅材料器件有着难以逾越的价格优势。

  然而,当特斯拉为了行驶里程仅5%的提升,不惜以成本高几倍的代价率先全面采用碳化硅时,这种新材料在新能源汽车及配套领域的应用潜力就得到了验证,为将节能视为首要需求的行业树立了一块样板。

  虽然成本高昂、生产工艺不成熟等问题还待解决,但第三代半导体的应用之门已经拉开了一条缝。

  阿里巴巴达摩院发布的2021十大科技趋势将“第三代半导体迎来应用大爆发”列在首位。

  达摩院认为,未来五年,第三代半导体材料将在材料生长、器件制备等技术上实现突破,基于第三代半导体材料的电子器件将广泛应用于5G基站、新能源汽车、特高压、数据中心等场景,大幅降低整体能耗。

  可以预见的是,随着5G、新能源汽车等市场对第三代半导体的需求扩大,以及制备技术特别是大尺寸材料生长技术不断获得突破,第三代半导体的性价比也将得到提升。

  第三代半导体在高温、强辐射、大功率等特殊场景中的优势显著。但在可预见的功率器件等第三代半导体最有潜力的市场中,硅材料目前仍占主导地位,让企业从已经成熟的硅产品线切换到第三代半导体,并不是件容易的事。

  第三代半导体的难点不在设备和逻辑电路设计,要走向规模商用,如何有效降低衬底价格、提高尺寸,如何配合不同材料的制程条件形成有效开发流程,持续渗透功率半导体领域,相关企业还需努力。

  在达摩院十大科技趋势项目组专家看来,第三代半导体要走向规模化、商用化,有些必要条件还需满足。

  比如,细分领域的代际优势获得市场进一步验证,元器件可靠性能够满足整机厂商对消费端及工业端的差异化需求,应用端利润可基本覆盖材料到制程的投入,代工体系有效支撑通用芯片的稳定供货及面向第三代半导体器件与电路的专业工程师群体的成长。

  不能错过新一列半导体列车

  和设计环节相比,半导体制造环节的规模小得多,但技术要求更高,是整个半导体产业的根基。

  芯片不是半导体行业的全部,却对材料性能要求最为苛刻,生产工艺最为复杂,显示面板次之,光伏面板最低。

  半导体材料涉及各种金属、合金、非金属,各类元素以及酸、碱等各类试剂,细分子行业多达上百个,也潜藏着很多隐形冠军。

  在全球半导体材料供应链中,日企占据主导地位。第三代半导体行业中,欧美日厂商三足鼎立,全球70%—80%的碳化硅市场由美国把控。

  近年来,我国半导体厂商在设计、制造和封测三个半导体芯片产业关键环节取得了长足的进步,一些设计和封测厂商已进入全球领先阵营。

  但是,在半导体制造环节我们与国外厂商的差距依然很大,其所需的关键设备和半导体材料尤为薄弱。国内第三代半导体企业多数还处于研发、项目建设或小批量供货阶段。

  相比传统硅半导体动辄高达千亿级别的投资,第三代半导体投资强度小,但战略意义大,被产学研各界视为我国摆脱集成电路产业对外依赖,实现技术追赶和产业发展的突破口。

  中科院院士郝跃等专家认为,我国第三代半导体发展水平与国际先进水平差距不大,可以成为国家集成电路产业发展突破口。

  第三代半导体是科研领域的重要发展方向,企业在集成电路和半导体技术领域也开始大规模投入。

  但正如今年全国两会期间全国政协委员王文银表达的观点,第三代半导体盈利释放缓慢,应该避免产业发展从一拥而上变为一地狼藉,通过规划引导将地方付出变为真正的产能。

  人们期待第三代半导体市场出现这样一个群体——规模不必大却拥有话语权及产业链把控能力,既能为常规经济高质量运行提供保障和支撑,也能在关键时刻发挥奇兵效应。

[ 责编:赵艳艳 ]
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