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【材料/设备】第三代半导体渐入佳境

来源:中国电子报    原作者:张依依    

9月19日,英诺赛科苏州第三代半导体基地举行设备搬入仪式,基地已进入量产准备阶段。此前,三安光电斥巨资在长沙建设第三代半导体产业园,哈勃科技投资有限公司也出手投资了国内领先的第三代半导体材料公司。“投资热”的戏码频繁上演,表明第三代半导体产业的发展已成为半导体行业实现突破的关键环节。

格局呈美欧日三足鼎立态势

由于基于硅材料的功率半导体器件的性能已接近物理极限,以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体凭借其优异的材料物理特性,在提升电力电子器件性能等方面展现出了巨大潜力。

特性优越、应用广泛的第三代半导体材料吸引了国内外企业纷纷对其加码抢滩,而碳化硅和氮化镓无疑是第三代半导体发展的核心方向。

全球SiC的产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立的态势。美国的科锐、德国的英飞凌、日本的罗姆这三家公司占据了全球SiC市场约70%的份额,其中科锐、罗姆实现了从SiC衬底、外延、设计、器件及模块制造的全产业链布局。

SiC的产业链主要由单晶衬底、外延、器件、制造和封测等环节构成。在全球SiC产业链中,美国占据全球SiC市场70%~80%的产量,拥有科锐、道康宁、II-VI等在SiC生产上极具竞争力的企业。欧洲在SiC产业链的单晶衬底、外延、器件等环节均有布局,拥有较完整的SiC产业链。欧洲在该领域内的代表公司有英飞凌、意法半导体等,且主流器件生产厂商采用IDM模式。日本则是设备、器件方面的领先者,罗姆半导体、三菱电机等公司在业内举足轻重。

GaN的产业链中也包含了衬底、外延、设计、制造和封测等环节。在GaN产业链中,国际巨头公司仍占主导地位。据了解,英飞凌的CoolGaN已可实现量产;安森美与Transphorm共同开发并推广了基于GaN的产品和电源系统方案;美国EPC公司是首个推出增强型GaN FET的公司;意法半导体则是射频硅基氮化镓行业的领先者,目前正在扩大6英寸硅基氮化镓的产能,并计划进一步扩展至8英寸晶圆;台积电、英特尔等也开始涉足于该领域,进行硅基氮化镓的代工开发。

行业人士杨瑞琳向记者介绍,除了科锐、II-IV等公司,新日铁柱金、Aymont、昭和电工、住友电气、住友化学、三菱化学、古河电气、Kyma、日立金属和Monocrystal等厂商也在生产并提供第三代半导体材料。

目前国内也有不少企业在生产、提供第三代半导体材料。杨瑞琳表示,天科合达、世纪金光、山东天岳、河北同光等国内厂商在第三代半导体材料的生产方面有所布局。其中,采取IDM模式生产器件和模块的企业有泰科天润、瑞能半导体。

仍面临着亟待突破的技术难题

半导体材料的生长离不开单晶衬底,理想的衬底材料可以提升外延膜的晶体质量、提高半导体器件的工作效率和工作寿命等,因此衬底材料的优化也是半导体器件制作过程中非常关键的一个步骤。

由于大尺寸的衬底可以有效降低器件的生产成本,并且更加易于加工,追求大尺寸的衬底已经成为了第三代半导体产业发展的重要趋势。在SiC衬底的研发进程方面,国内外企业的步调基本一致。

现阶段,SiC衬底的主流尺寸是4~6英寸,8英寸衬底已由国外的科锐公司研制成功。杨瑞琳指出,当前国外厂商科锐已全面转向了6英寸SiC产品,6英寸产品的商业化进程进展顺利。科锐首批8英寸SiC衬底预计于2022年实现量产。

与此同时,我国厂商也实现了6英寸SiC单晶衬底的小规模量产,并计划尽快实现8英寸衬底的量产。“目前国内外企业均研制出了8英寸SiC衬底,因此国内外企业针对SiC衬底的研发进程几乎相同。”杨瑞琳说。

而在GaN衬底材料的研发方面,国内外厂商的进程仍然相同。杨瑞琳表示,目前国外厂商SiC基GaN的外延材料正在逐步向6英寸过渡,而我国用于微波射频器件的SiC基GaN外延材料也在逐步向6英寸发展。在Si基GaN外延材料方面,当前的主流尺寸为6英寸,而国内厂商用于电力电子器件的Si基GaN外延已经基本实现了6英寸材料的产业化,并完成了8英寸材料的样品研发。

虽然国内外企业在第三代半导体衬底材料方面的研发进程相同,在产品的整体工艺水平和质量方面,国内外企业还存在着技术代差。因此,我国第三代半导体产业的发展还面临着一些亟待突破的难题。

以SiC衬底材料为例,目前国内企业生产的衬底材料质量还相对薄弱,主要用于生产10A以下小电流产品。而在SiC外延方面,国内部分公司已经具备提供4、6英寸的外延片的能力,但是高质量、厚外延的量产技术仍被科锐、昭和等少数国外企业掌握。正如西安电子科技大学教授张玉明所言,我国还需提高SiC晶圆的尺寸和质量,制造工艺栅界面调控技术还需加强,成品率也需进一步提升。行业分析师吕芃浩曾表示,除了要降低衬底缺陷,提高良率,做到大尺寸、低成本之外,SiC缺陷密度、外延工艺效率低、掺杂工艺的特殊要求、配套材料的耐温等问题也需要尽快解决。

另外,我国GaN材料在综合指标、器件性能等方面也需进一步提升。经过三十多年的发展历程,欧美日等国的企业已形成了较为成熟的GaN产业体系,而我国由于起步较晚,技术积累还存在不足。吕芃浩认为,GaN高质量、大尺寸籽晶获取问题是目前需要破解的难题之一。

应避免投资热后的“繁花落尽”

随着新能源汽车市场规模的不断扩大,SiC在该领域的商业化进程已经开始。英飞凌科技大中华区高级副总裁兼汽车电子事业部负责人曹彦飞告诉记者,SiC商业化的价值在于提升整个汽车系统的效率,并在汽车里程增加的同时减少电池成本,以弥补SiC与IGBT的价差。“当SiC用于主逆变器,在800伏系统之下,我们已经仿真。根据主机厂验证结果,它提升了约7%的续航里程,这体现了SiC商业化的价值。”曹彦飞还透露,当前以英飞凌为代表的厂商在车载充电机、主逆变器等领域均有相应的SiC产品推出,并且产品还会不断更新迭代。

为把握SiC日益增长的市场需求,很多国内厂商也在加紧布局第三代半导体SiC生产线。日前,华润微宣布国内首条6英寸商用SiC晶圆生产线正式量产;我国SiC全产业链产线已落地长沙高新区;郑州航空港实验区管委会等机构和公司签订了战略合作协议,将在郑州航空港实验区建设第三代化合物半导体SiC生产线。

5G商用进程的不断推进也使从基站端到终端的射频需求加速增长。作为实现5G的核心材料,到2025年,GaN在射频器件领域的占比将超过50%,未来10年GaN的市场规模有望超过30亿美元。目前,国外厂商意法半导体正在与MACOM合作,瞄准全球5G基站应用,希望巩固在第三代半导体市场的领先地位。

为了在5G市场抢得先机,国内厂商研发GaN产业的热度只增不减。国内厂商三安集成和海威华芯具有量产GaN功率器件的能力,而海威华芯则是能提供6寸GaAs/GaN微波集成电路的纯晶圆代工服务制造企业。此外,海陆重工参股10%的江苏能化微拥有国内首条8英寸GaN单晶生产线。进入量产准备阶段的英诺赛科苏州第三代半导体项目建成后将成为全球最大的集研发、设计、外延生产、芯片制造、测试等于一体的第三代半导体全产业链研发生产平台。

当前,国内厂商对第三代半导体产业的研发热情高涨。但当“投资热”过后,产业是否会从“一哄而上”变为“无人问津”?

为了避免投资热过后的“繁花落尽”,国内企业需要正视市场需求,通过提升核心技术把握市场的新机遇。行业人士朱邵歆告诉记者,由于第三代半导体的产业链长、链条环节多,产业链的末端面临着最大风险。在没有明确客户的情况下,过早扩充产能会造成资源浪费等问题,因此企业需要先了解市场需求,再进行定制化生产。国内企业要注重产品质量和关键技术水平的提升,而不是盲目投资产线。

朱邵歆表示,地方政府在相关项目落地前,应委托在集成电路和第三代半导体领域有深厚产业研究积累和案例的专业研究机构,对产品市场方向、技术团队能力、投资经费等进行第三方评估,以解决项目落地前的信息不对称问题,避免不符合地方发展需求和实际情况的项目落地。

封面图片来源:拍信网