作为一个在半导体行业和光伏行业都曾有过涉猎的人，我乐于比较两个行业之间的优劣势，也希冀以这两大高新技术行业为缩影，折射出中国高新技术产业整体的发展现状。
严格上来说光伏技术可以算得上是半导体学科的一个分支，所以如果你是从半导体行业转到光伏行业，适应的时间比从其他行业转过来的要短的多的多。但是光伏行业又独立于半导体行业之外，因为它首先是新能源行业的一个分支，无论从最终的产品外形，用途还是其服务的终端领域都与半导体行业有着天壤之别。人们谈起光伏行业，更愿意强调的是太阳能发电是一种清洁可靠的新型发电方式，而不会有多少人在意其实太阳能发电的原理只是运用到了半导体物理中最基础的光电转换理论。在我看来，这更像是科学家在研究半导体物理时，突发奇想地，或者是不经意间地，想出来的点子。因此其技术复杂度还远不能与半导体行业相媲美。当然术业有专攻，近些年光伏行业也在不断挑战更高的技术壁垒，研究的方向也涉及到从上游晶硅到下游组件生产乃至最终的发电成套。所以单纯地讨论光伏行业和半导体行业孰优孰劣并没有太大意义。
单从发展前景来看，光伏行业可以算得上是现在为数不多的几个“朝阳产业”之一。当今世界，能源紧缺是所有国家共同面临的严峻问题，光伏行业可谓是顺应形势而生，太阳能“取之不竭，用之不尽”，可谓是大自然赐予人类最好的馈赠之一，没有理由不好好利用，况且光伏产品符合人们对于新能源的几大要求：低碳环保，可持续发展等，因此它能取得广泛的关注也在情理之中，在过去的20年间，光伏行业得到了突飞猛进的发展，这其中以中国大陆的光伏行业发展最为引人注目。
事物都有两面性，在光伏行业发展过程中，也出现了很多违背规律的现象和全球性的不平衡，主 要表现在：
1，人们在谈及太阳能发电时，往往夸大了最终的光伏产品组件的清洁无污染性，但有意无意地却都选择性忽视了以下事实：在整个产品生产链中，从上游的多晶硅生产到中游的电池片，都是一个高污染高能耗的生产过程，由于工艺的不成熟和法律法规的不完善，违规排放污染源的现象屡见不鲜。和半导体产业相比，虽然光伏行业生产使用到的气体、酸、碱等化学品种类要少一些，但是其对于污染源排放前的处理还很不规范。这一切都使得这个头顶着“清洁能源”光环的行业显得严重名不符实。明知污染严重，然而中国各地的光伏产业园仍然“忽如一夜春风来，千树万树梨花开”，最高峰时全国单生产电池片的厂家就有1000多家。究其原因，众所周知就是背后的经济利益在推动。因为在光伏行业曾经的巅峰时期，由于欧洲国家政府对光伏发电的大力支持，使得中国国内生产商的订单源源不断，厂商的利润率高的令人咋舌。高利润带来了高税收收入，因此各地政府在招商引资时也几乎完全忽视了背后的污染，这也埋下了一定的隐患。2011年晶科新能源的污染事件终于让人们开始警醒，也让普通民众开始关注这个行业背后存在的污染真相。
2，各地一拥而上的过度投资显然已经违背了经济发展规律。客观上来看，各地的投入和支持使得中国涌现了一大批在世界上都位列前茅的大型光伏企业如英利、赛维、尚德、天合光能等等，这也使得中国在光伏领域取得了在其他行业少有的世界领先的行业地位。但是大部分的投资显得功利性太强，目的性单一，缺乏高瞻远瞩的目光。由于不像半导体那样动辄十几二十亿的投资，投资一条小型的光伏电池片生产线往往只要上千万，但其收益率以及资金回收周期远优于半导体行业，极好的迎合了资本逐利的本性，这就导致很多资金从其他领域纷纷涌入，甚至连很多江浙一带原本是从事传统行业的私营业主也打破脑袋想要进入。但是这些人都忽视了一个问题：光伏市场的面还不够广，在国内市场没有充分打开的前提下，只有过度依赖欧美市场，这样带来的后果就是，所有中国企业都在分食同一块大蛋糕，由于选择面越来越广，欧美国家有了更多的底气与中国企业谈判，定价的话语权完全掌握在别人手里，而中国的企业能做的只是内耗。当然这还不是最严重的问题，更严重的是，由于对欧洲市场的严重依赖，所以当欧洲出现了百年一遇的金融危机时，我们的企业似乎完全没有了招架能力。2011年年中开始，德国西班牙意大利等一些欧洲国家就纷纷宣布将不再对光伏上网提供补贴，这也使得欧洲的订单锐减，美国却在这时候落井下石地提出了针对中国光伏企业的“反倾销反补贴”的所谓“双反”诉讼（另据了解近期欧洲国家也仿效美国提出了双反诉讼），反观国内市场却迟迟未能打开，这一切都使得整个光伏行业彻底陷入了有史以来最深的谷底。在这样的背景下，之前过度投入所导致的产能过剩效应很快显现，一些本来就是投机大于投资的小企业，因为没有技术上的优势，很快就面临了没有订单的困境，光浙江就有三分之二的小企业早早倒闭。大企业的日子同样不好过，在景气时期盲目的产能扩充竞赛，终于到了秋后算账的时候了。据悉目前排名靠前的几大光伏巨头的资本负债率最少的也在50%以上，赛维LDK的负债率甚至已经超过100%，到了崩盘的边缘。这一切的恶果，很大一部分原因都归咎于当初热昏了头的投资。
3，光伏产业的发展还存在着全球不平衡性。之所以说是全球不平衡，是因为高污染高能耗的产业链上中游都集中在以中国为代表的发展中国家，而真正最终的无污染的清洁应用大部分都在欧美等发达国家，所以虽然中国的光伏企业在这一轮光伏大潮中收获了一定的经济利益，但是从长远的眼光来看，真正获益的无疑是欧美国家，因为他们巧妙地将污染的源头转移到了中国，而将真正的清洁能源带到了自己国家，在未来的几十年里，这些静静地躺在山坡上或是屋顶的光伏组件将为这些国家带来源源不断的电力，而他们为此付出的仅是一张支票。而作为产品输出国的中国，他们的居民很长一段时间内仍然不得不面对火力发电厂里冒出的浓烟。这种不平衡在很长一段时间内都不会被打破，因此需要我们去深思如何去转换思路打破这种不平衡。
尽管中国的光伏行业面临了前所未有的危机，但危机也何尝不是机遇。有人认为，光伏行业危机反而给了整个行业反思和洗牌的机会，淘汰落后产能，整合优质资源是当务之急。此外危机也催生了光伏巨头们对于新技术研发的更大关注和投入，这在以前是不可想象的，光伏企业们逐渐意识到，只有研发出更高发电效率的电池组件，才能占领市场的制高点，才能存活下去。这种技术上的竞争是政府乐于看到的，这也更符合这个行业的发展规律。国家也注意到了光伏行业存在的困境，尽管在光伏行业的最高峰时，国家已经发出过了警惕光伏行业投资过热产能过剩的警告，但是当时没有多少人响应，现在这个时候光伏企业确实需要国家的帮助了。在国务院发布的十二五规划中，明确提出了光伏发电装机容量的目标，这也算是给飘摇中的光伏行业送去了一丝希望。所有光伏企业都在期待着。我也一直在关注着这个行业的新动向。不管怎样，光伏行业始终是一个前景光明的行业，现在经历的一个阵痛期只是它必然会经历的一个阶段，只要度过了这个艰难的时期，必将重新焕发生机。
说完了光伏产业，我再来说说我更为了解的半导体行业，也叫集成电路产业。这个行业也分上中下游，所不同的是上游是集成电路设计，这一点是光伏行业所没有的，光伏行业的所谓上中下游，纯粹是针对于生产而言。中游是芯片生产，下游是封装测试，中下游都偏向于生产制造，所不同的是芯片生产的技术含量更高。本人不才，没有能力进入要求更高，待遇更好的设计类企业，而是从事的是中游芯片生产相关的工作。
半导体芯片的生产过程与光伏产业中电池片的生产颇为类似，都是在硅基片上（也有一些光伏电池片不是以硅片为基础的，但不是主流）掺入一些杂质，然后对硅片进行一些处理，利用硅这种半导体的特性，实现各种电学表现。所不同的是，光伏电池片的处理工艺较为简单，往往10几个步骤就可以完成整套流程的生产，而半导体芯片的生产工艺要复杂的多得多，往往一颗芯片的生产步骤要多达几百上千步，可以说两者不是在一个数量级上的。而且半导体工艺的复杂程度之高，对产品和环境要求之苛刻，对于工作人员的要求之严格，涉及到的相关学科之多是光伏行业远远不能比拟的。这里面的细节无法用一片短短的文章就可以细说，感兴趣的同学可以自己去了解。
正是因为有了以上特点，半导体行业的软硬件投入是十分惊人的，需要大量的资金，因此它也可以算得上是“有钱人玩的游戏”。当下投资一个8英寸芯片厂所需要的资金在10亿美元左右，而投资一个12英寸芯片厂所需要的资金则将高达30亿美金。这远远不是一般投资人可以承受的。半导体行业对于电子工业来说是源头，因此历来各个国家都非常重视，针对其投入大的特点，一般各国政府都会以各种形式的补贴来表示支持。
虽然投资巨大，但是半导体行业的利润率却远远不及巅峰时期的光伏行业。事实上，半导体行业也曾有过辉煌的年代。在20世纪70年代，当台湾张仲谋创立了世界上第一家以纯晶圆代工模式为主的半导体工厂台湾积体电路有限公司（台积电）时，半导体工业迎来了一个发展的高峰，这种全新的模式解放了设计公司，因为他们无需再烦心于要投入巨资建立生产线，却又没有足够的量而导致机台利用率低的窘境，因此受到了极大的欢迎，订单源源不断。当时台积电的利润率大概与光伏行业相似，员工的待遇也是惊人的好，曾有年终晚会抽奖送出一亿元股票的故事。当年台湾年轻人都以进台积电赚大钱为目标。在台积电取得了巨大成功后，半导体代工厂如雨后春笋般在台湾地区出现，继而也发展到了世界其他国家，这也必然使得市场被分摊，各家的竞争也愈加激烈，因此利润率的下降也是情理之中的事情。从这点上来说，半导体行业也曾经历过和光伏行业目前所面临的一样的历史阶段。但两者在相似中又有一些本质上的区别。
首先半导体行业由于前文所讲到的原因，从一开始就注定它是一个高投入的产业，因此投资这个产业必然是慎之又慎的，必然是做了大量前期准备后的决定，而生产工艺的复杂性使得客户，也就是设计企业，不会轻易地转换供应商，因为这对于他们来说也是一个巨大的风险。这里再稍稍补充介绍一下，其实对于上游的相关设计企业来说，如何尽快将产品推向市场，占据市场先机是他们一直要考虑的问题，否则就很难在市场上立足。因此选择一个好的晶圆厂作为合作伙伴是一件非常重要的事情，而一旦这种合作关系稳固下来，就说明晶圆厂已经根据设计企业的要求做了从投片到最终出产品中间几百乃至上千道工艺的调试，保证了每一道工序都符合要求，这个过程需要花费漫长的时间，有的甚至要花几年的时间。因此如果突然中途更换合作伙伴，则意味着所以一切都要从头再来，而且还要背负着结果存在很大不确定性的风险。这对于以市场时机为导向的设计企业来说，将是灾难性的。而光伏行业的门槛低，除了几家光伏巨头之外，其他各家公司的背景可谓鱼龙混杂，产品技术相对简单，几乎每家的产品都没有太大的差异，工艺调整起来也没有那么复杂，因此客户更换供应商也更容易，这也是为什么光伏企业容易倒闭，而很少听到半导体企业特别是半导体晶圆制造厂倒闭的案例。
其次从市场需求的角度来说，半导体行业作为电子工业的源头，目前为止还没有其他可替代品，因此它的地位是稳固的，半导体产业通常都是一个国家的支柱产业，中国大陆在这方面的起步较晚，但是政府的重视程度却不亚于世界上任何一个国家，虽然和半导体发达国家还存在很大的差距，但在国家的强力支持下这种差距正在逐步缩小，也涌现出了像中芯国际这样世界级的大公司。当今正是各类电子产品层出不穷的年代，全球各大厂商如苹果，三星等公司推出的各类新潮产品不断这吸引着消费者的眼球，各种新技术推层出新，这也推动了半导体工业的发展，因为电子产品中最核心的各类芯片就是源自于半导体工业，这其中最著名的代表之一就是著名的半导体大厂英特尔。个人认为如果没有英特尔生产的CPU，世界的发展速度将至少减慢30年。半导体工业的发展也始终遵循着著名的摩尔定律，从当初的4英寸、6英寸，8英寸发展到现在的12英寸，18英寸，工艺节点也从0.25微米,0.13微米发展到了90纳米，45纳米，22纳米，并且还在向更高的原子级别迈进，除此之外，一些新技术如石墨烯等也如小荷初露角，因此可以预见的是，半导体仍将持续发展很长一段时间，直到更新的技术出现。而反观光伏行业，虽然从本质上来说，这是一种很有前景的行业，但是它并不具备半导体行业那种舍我其谁的行业地位，换句话说，光伏行业并不是新能源替代旧能源的唯一选择。除了太阳能，风能，生物能，核能以及近来比较热门的页岩气等都是比较有前景的能源。因此光伏行业如果想要脱颖而出，必须体现出技术优势，成本优势，环保优势，效率优势。而这些恰恰确实光伏行业目前所缺乏的。因此，如果不是欧美国家的巨大市场需求，以及日本地震对于核能的打击等一系列原因，光伏行业在中国的发展绝不会这么迅猛。高速发展掩盖了原本应该作为行业基石的技术的薄弱性，因此当受到猛烈冲击时，光伏行业外表光鲜亮丽的大厦崩塌离析也是必然的。
随着绿色低碳战略的不断推进,提升能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,如何利用现代化新技术建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。
值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元
全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。
本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。
20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。
然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。
在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。
笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。
安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。
英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。
第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。
和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。
随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:
与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 :
1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗
2.耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化
3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。
氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。
半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。
第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。
前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。
从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。
这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。
此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。
对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。
但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。
在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。
比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。
如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。
吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。
观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。
但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。
业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。
“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。
以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”
作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。
虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。
从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。
泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”
吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。
那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。
第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。
其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。
得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:
光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等
电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等
微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。
现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。
早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域在去年全国人大发布《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》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。
具体来看当前主要应用领域的发展情况:
1.新能源汽车
新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。
2.光伏
光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。
3.轨道交通
未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。
4.智能电网
目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。
第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。
时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?
从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。
安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。
具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。
另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。
泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。
OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。
虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。
就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。
此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。
OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。
上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。
当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。
在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议 「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」 。
本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。
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