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第三代半导体技术竞争白热化!碳化硅(SiC)的前世今生

第三代半导体技术竞争白热化!碳化硅(SiC)的前世今生

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1. 碳化硅氮化镓主导,第三代半导体技术竞争白热化!

2021年,随着各国于5G通讯、消费性电子、工业能源转换及新能源车等需求拉升,驱使如基站、能源转换器(Converter)及充电桩等应用需求大增,使得第三代半导体 GaN 及 SiC 元件及模组需求强劲。根据CASA数据,2020年,我国第三代半导体整体产值超过7100亿。从年初开始,多重利好消息也在刺激着人们对于第三代半导体业的关注。8月14日,工信部正式宣布将碳化硅(SiC)复合材料、碳基复合材料等纳入“十四五”产业科技创新相关发展规划,以全面突破关键核心技术,攻克“卡脖子”品种。行业投资水涨船高、新玩家入场、需求不断涌现,第三代半导体市场也扬起了浪。

碳化硅、氮化镓已趋于成熟

第三代半导体是5G时代高频化、轻薄化应用的优选。5G、新能源汽车等新兴领域要求硬件拥有更好的性能,半导体产品的效率要求也会随之提高,半导体材料的代际划分显现。第三代半导体指的是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化物半导体(如氧化锌ZnO)、III族氮化物(如氮化铝AlN)、金刚石半导体等宽禁带半导体材料。相较于第一代半导体材料(硅、锗)与第二代半导体材料(砷化镓、磷化铟),第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,在5G、毫米波通信、新能源汽车、光伏发电、航空航天等战略新兴产业的应用需求呈现激增。

碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)已是第三代半导体中发展最成熟的两个品种。碳化硅(SiC)具有工作温度更高、开关和导通损耗更低的特性,适合太阳能逆变器、工业电源以及新能源汽车主控电路。而氮化镓(GaN)由于其高电子迁移率和高电子饱和速度特性,适合高速和高功率元件,比较典型的应用场景是下一代无线通讯系统。SiC的性能使其在高于1200V的高电压、大功率应用上颇具优势,而GaN功率器件更适合40-1200V的高频应用,尤其是在600V/3KW以下的应用场合。

碳化硅(SiC)

碳化硅(SiC)主要可应用于电力电子器件和微波射频领域,细分领域包括车、光伏、消费电子等。而由导电型碳化硅衬底制成的功率半导体器件包括:结势垒肖特基功率二极管(JBS)、PiN功率二极管和混合PiN肖特基二极管(MPS);金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极型晶体管(BJT)、结型场效应晶体管(JFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和门极可关断晶闸管(GTO)等,能够应用于电子电气领域中新能源汽车、光伏发电等方面。而由半绝缘型衬底制成的射频半导体器件包括射频开关、LNA、功率放大器、滤波器等,可广泛应用于5G通讯、卫星、雷达等领域。

氮化镓(GaN)

目前氮化镓单晶生长尺寸在2英寸和4英寸,一般不作为衬底材料,而是采用异质外延技术生长GaN-on-SiC器件、GaN-on-Si器件以及蓝宝石基氮化镓外延器件等。在器件及应用方面,首先,GaN-on-SiC器件、GaN-on-Si器件可作为微波射频器件,应用于5G 通信、雷达预警、卫星通讯等方面。

此外,GaN宽带隙功率晶体管可以在高压和高开关频率条件下提供高功率效率,使其能够应用于智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等电力电子方向,其性能远远超过硅MOSFET产品。根据Yole数据,GaN射频全球市场在2018年为6.45亿美元,预计2024年达到约 20亿美元;在GaN电源市场方面,受消费者快速充电器应用推动,到2024 年全球市场规模将超过3.5亿美元。基于硅衬底GaN还可制造蓝光LED和白光LED,GaN因其材料的高频特性是制备紫外光器件的良好材料,可应用在包括灭火抑爆系统、紫外制导、紫外通信等在内的军事领域,以及火焰探测、电晕放电检测、医学监测诊断等在内的民用领域。

除SiC、GaN外,第三代半导体还包括众多其他材料,包括III族氮化物(AlN、InGaN、InAlN、AlGaN、AlInGaN等)、氧化物半导体(包括ZnO, CaTiO3, IGZO, β-Ga2O3 ,TiO2)以及金刚石半导体等。碳化硅基氮化镓技术开始的,它在20多年前即已推出,现已成为RF功率应用方面LDMOS和GaAs的有力竞争者。碳化硅基、氮化镓打头,硅基氮化镓紧跟,硅基氮化镓除了军用雷达领域的深度渗透,它还是华为、诺基亚、三星等电信原始设备制造商(OEM)5G大规模MIMO基础设施的首选。

增速方面,第三代半导体在功率器件的增速和体量都要大于微波射频。微波领域在2020年已经达到顶峰,因为5G建设的放缓,今年可能会有所下滑。故此推测,第三代半导体真正的应用领域还是在功率器件或者电力电子器件,市场渗透主要包括新能源汽车和光伏逆变器。

国内生态逐渐建立

第三代半导体仍是个新兴技术,全球市场处于初期阶段。第三代半导体产业链主要包含衬底、外延材料、器件设计、制造、模块和应用这几个环节。外延与器件设计方面,由于技术相对简单,门槛不高,目前国内外差距较小;而器件制造则是另一个差距较大的方面,国外由于发展较早,在制造的过程中累积了大量的产业,其产品拥有较高的良率和可靠性。

国内第三代半导体器件已经迅速进入了新能源汽车、光伏逆变、5G 基站、PD 快充等应用领域,碳化硅主要应用在新能源汽车和工控等领域,氮化镓器件主要应用在5G基站等领域。2020 年我国第三代半导体产业电力电子和射频电子总产值超过 100 亿元,同比增长 69.5%。其中,SiC、GaN 电力电子产值规模达 44.7 亿元,同比增长 54%;GaN 微波射频产值达到 60.8亿元,同比增长 80.3%。

 

 

近年来,国内在第三代半导体及其衬底方面为了赶上国外的步伐投入很大,但仅分散在功率器件应用领域;IDM和代工服务方面,与国际上量产6英寸,正在建设8英寸量产工厂的水平还存在差距。另外,门槛更高的碳化硅将长期以IDM为主,在美日两家独大的产业格局下,中国厂商的机会也受到了一定的挤压。

在我国政策力度的带动下,国内第三代半导体材料的主流企业积极布局,市场容量扩大且产业链合作水平不断提高。中电科55所已是国内少数从4-6寸碳化硅外延生长、芯片设计与制造、模块封装领域实现全产业链的企业单位。而泰科天润已经量产SiC SBD,产品涵盖600V/5A~50A、1200V/5A~50A和1700V/10A系列。深圳基本半导体则拥有3D SiC技术,推出了1200V SiC MOSFET产品。瀚薪独创集成型碳化硅JMOSFET结构技术,推出全球唯一量产的SiC JMOS产品,实现了碳化硅的DMOSFET和JBS(肖特基二极管)的芯片内集成。另外值得关注的是,近年来,SiC晶片作为衬底材料的应用正在逐步走向成熟,成本呈现明显下降趋势,具备了大规模产业化应用的基础。

2. 碳化硅(SiC)的前世今生!

SiC作为半导体材料具有优异的性能,尤其是用于功率转换和控制的功率元器件。与传统硅器件相比可以实现低导通电阻、高速开关和耐高温高压工作,因此在电源、汽车、铁路、工业设备和家用消费电子设备中倍受欢迎。虽然SiC最后通过人工合成可以制造,但因加工极其困难,所以SiC功率元器件量产化曾一度令研究者们头疼。

※ 啥是碳化硅(SiC)?

碳化硅是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)、氮化铝(ALN)、氧化镓(Ga2O3)等,因为禁带宽度大于2.2eV统称为宽禁带半导体材料,在国内也称为第三代半导体材料。

在半导体业内从材料端分为:

第一代元素半导体材料:如硅(Si)和锗(Ge);

第二代化合物半导体材料:如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等;

第三代宽禁带材料:如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(ALN)、氧化镓(Ga2O3)等。

其中碳化硅和氮化镓是目前商业前景最明朗的半导体材料,堪称半导体产业内新一代“黄金赛道”。

历史上人类第一次发现碳化硅是在1891年,美国人艾奇逊在电溶金刚石的时候发现一种碳的化合物,这就是碳化硅首次合成和发现。在经历了百年的探索之后,特别是进入21世纪以后,人类终于理清了碳化硅的优点和特性,并利用碳化硅特性,做出各种新器件,碳化硅行业得到较快发展。

相比传统的硅材料,碳化硅的禁带宽度是硅的3倍;导热率为硅的4-5倍;击穿电压为硅的8倍;电子饱和漂移速率为硅的2倍。种种特性意味着碳化硅特别适于制造耐高温、耐高压,耐大电流的高频大功率的器件。

目前已知的碳化硅有约200种晶体结构形态,分立方密排的闪锌矿α晶型结构(2H、4H、6H、15R)和六角密排的纤锌矿β晶型结构(3C-SiC)等。

其中β晶型结构(3C-SiC)可以用来制造高频器件以及其他薄膜材料的衬底,例如用来生长氮化镓外延层、制造碳化硅基氮化镓微波射频器件等。α晶型4H可以用来制造大功率器件;6H最稳定,可以用来制作光电器件。

 

 

 

※ 碳化硅的性能优势

如果只算碳化硅芯片,在功率半导体方面碳化硅的对比传统硅基功率芯片,有着无可比拟的优势:碳化硅能承受更大的电流和电压、更高的开关速度、更小的能量损失、更耐高温。因此用碳化硅的做成的功率模组可以相应的减少了电容、电感、线圈、散热组件的部件,使得整个功率器件模组更加轻巧、节能、输出功率更强,同时还增强了可靠性,优点十分明显,具体总结如下:

1、更低的阻抗,带来更小尺寸的产品设计和更高的效率;

2、适用于更高频率和更快的开关速度;

3、极佳的高温特性,能在更高温度下工作。

※ 为什么碳化硅这么贵?

所有人都知道碳化硅未来巨大的商业前景,但是所有投身这个行业的就会遇到第一条最现实的问题,材料怎么办?

目前传统硅基产业极其成熟的商业环境,至少有一大半原因是硅材料较为容易得到。硅材料成熟且高效的制备技术使得硅材料目前十分低廉,目前6英寸硅抛光片仅150元,8英寸300元,12英寸850元左右。

只有原材料足够便宜,产业规模才可能做大!

目前用直拉法,72小时能生长出2-3米左右的硅单晶棒,一根单晶棒一次能切下上千片硅片。

你知道72小时能长多少厚碳化硅单晶体吗?只有几厘米都不到!!!

目前最快的碳化硅单晶生长的方法,生长速度在0.1mm/h-0.2mm/h左右,因此72小时也仅有7.2mm~14.4mm厚度的晶体。

所以大家可以想象,生产出来的碳化硅单晶片能贵成啥样了。目前4英寸碳化硅衬底售价在2000-3000元左右,6英寸衬底更是达到6000-8000元的水平,外延片至少再X2的价格以上,而且还有价无货。

作为全世界碳化硅龙头企业,美国科锐(Cree)几乎垄断了70%以上的产能,因此国内外下游厂家,纷纷和科锐签订长期合约锁定产能。

※ 碳化硅的市场

碳化硅MOSFET和碳化硅二极管用于太阳能,UPS,工业,汽车等应用:主要集中在光伏储能中的逆变器,数据中心服务器的UPS电源,智能电网充电站等需要转换效率较高的领域。但是随着近些年电动和混合动力汽车(xEV)的发展,SiC也在这个新领域迅速崛起,辐射的产业包括能源(PV,EV充电,智能电网等)、汽车(OBC,逆变器)、基础设施(服务器)等。

综上,在不远的将来,我们能预想到碳化硅会对电力电子行业产生革命性影响!

 

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