探尋后摩爾時代 | 寬禁帶半導體：一場能源轉換鏈中的革命
作者：張心怡 來源：中國電子報、電子信息產業網
編者按：過去的半個多世紀，半導體行業一直遵循摩爾定律的軌跡高速發展，如今單純靠提升工藝來提升芯片性能的方法已經無法充分滿足時代的需求，半導體行業也逐步進入了“后摩爾時代”。后摩爾時代的來臨，給中國集成電路產業發展帶來新的發展機會，《中國電子報》推出“探尋后摩爾時代集成電路的顛覆性技術”系列報道，對集成電路潛在顛覆性技術進行梳理，探討每一項技術的發展現狀、產業難題、未來前景。敬請關注。
以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶（第三代）半導體憑借優異的物理特性，天然適合制作高壓、高頻、高功率的半導體器件。可以說，寬禁帶半導體能實現硅材料難以實現的功能，也能在部分與硅材料交叉的領域達到更高的性能和更低的系統性成本，被視為后摩爾時代材料創新的關鍵角色。
“寬禁帶半導體是對硅材料的有益補充，硅做不到的高頻可以通過氮化鎵來做，硅做不到的高壓可以通過碳化硅來做。這種補充和提升，是寬禁帶半導體在后摩爾時代的主要價值。”西安電子科技大學郭輝副教授向《中國電子報》記者表示。
電力電子技術的未來
后摩爾時代不僅是集成電路技術的換擋器，也是全社會從信息化步入智能化時代的轉換階段，其中起到關鍵作用的人工智能、大數據、車聯網等技術如何用電顯得非常關鍵。用電需求的提升與低碳環保的需求，讓更智慧、更高效的能源生產、傳輸、配送、儲存和使用方式成為后摩爾時代的剛需。
“在整個能源轉換鏈中，寬禁帶半導體的節能潛力可為實現長期的全球節能目標作出貢獻。寬禁帶技術將推動電力電子器件提高效率、提高密度、縮小尺寸、減輕重量、降低總成本，因此將在數據中心、智能樓宇、個人電子設備等應用場景中為能效提升作出貢獻。” 英飛凌科技電源與傳感事業部大中華區應用市場總監程文濤向《中國電子報》記者指出。
高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率等物理特性，讓寬禁帶半導體天然適合對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件要求較高的應用，被視為電力電子領域的顛覆性技術。
“我們正在經歷電力電子領域的一場革命。寬禁帶器件提供三個主要優勢：提升效率、增加功率密度和降低系統成本。這些都是改變游戲規則的技術，而我們從未見過任何新技術在推出時就能夠比舊技術更具成本效益、擁有更廣泛的產品系列或擁有更多的成功案例。”安世半導體氮化鎵市場及營銷總監Giuliano Cassataro向《中國電子報》記者表示。
具體來看，寬禁帶半導體能提供低阻抗，以降低導通損耗，實現能效的提升。
“寬禁帶半導體是電力電子技術的未來，能夠滿足客戶對阻抗和電容等參數的更高要求。電動車及充電樁對高壓、高頻和高能效的需求正在推動碳化硅的大幅增長。在新能源領域，SiC 可應用于太陽能升壓逆變器，已有不少廠家開始使用SiC MOSFET作為主驅逆變的器件替換過去的三電平控制復雜電路。”安森美半導體電源方案部市場營銷經理袁光明向記者指出。
寬禁帶提升能效的另一個表現，是提供了更高的功率密度。英飛凌科技工業功率控制事業部市場總監陳子穎向記者表示，在電力電子系統應用中，一直期待1200V以上耐壓的高速功率器件出現，這樣的器件當今非SiC MOSFET莫屬。
“1200V以上的SiC高速器件，可以通過提高系統的開關頻率來提高系統性能，提高系統功率密度。而硅MOSFET主要應用在650V以下的中低壓功率領域。這就意味著，電動汽車直流充電樁的功率單元如果采用硅 MOSFET，則需要兩路串聯，而采用SiC MOSFET，單路就可以實現，從而大大提高充電樁的功率單元單機功率。” 陳子穎說。
頭部廠商跟進
目前，國際頭部廠商正在推動寬禁帶半導體實現更高規格、更低阻抗、更低熱阻并持續提升生產能力。
導通阻抗的降低，是寬禁帶產品迭代的重要指標。安世半導體的氮化鎵晶體管在三年的發展和銷售中，導通阻抗從最初的 60 mΩ 的650V晶體管，降到了30mΩ 的新器件，即將達到5 mΩ。安森美最新推出的650V SiC MOSFET 采用有源單元設計，結合薄晶圓技術，使導通阻抗的品質因數領先于同類產品。
在熱阻方面，安森美新推出的1200 V SiC MOSFET 2 pack模塊采用了平面技術，其較大裸芯片與溝槽式MOSFET相比，降低了熱阻，從而在相同的工作溫度下降低了裸芯片溫度。
以硅為襯底的氮化鎵器件，有效提升了寬禁帶半導體的性價比，安世半導體等企業已經在硅基氮化鎵有所布局。
“襯底是氮化鎵產業化的關鍵。襯底制備技術難度大，且面積大多在2到4英寸，成本高昂，所以直接在氮化鎵基上生長外延是不劃算的。由于氮化鎵與碳化硅的晶格匹配非常好，Cree等廠商選擇在碳化硅襯底上生長氮化鎵外延，但是碳化硅的成本仍然偏高。后來業界將目光轉向藍寶石，可藍寶石的散熱能力難以滿足高頻、大功率場景的需求。硅基氮化鎵是一個兼得的方向，硅成本低，散熱能力較強，加速了氮化鎵器件的產業化進程。”郭輝說。
晶圓尺寸的提升和切割技術的創新，也在提升寬禁帶半導體的產能并降低生產成本。Cree、英飛凌、意法半導體等廠商已經具備8英寸碳化硅晶圓量產能力。2018年英飛凌收購了位于德累斯頓的初創公司Siltectra，其冷切割創新技術可高效處理晶體材料，最大限度減少材料損耗，使單片晶圓產出的芯片數量翻倍，從而有效降低SiC成本。
封裝技術的優化有利于寬禁帶器件的性能改進。基本半導體總經理和巍巍向記者指出，器件封裝也是增加產品附加值的重要維度，如在封裝上引入銀燒結等關鍵技術，可以更好地發揮碳化硅材料的特性，改善器件的質量。陳子穎表示，低寄生電感封裝可以讓SiC器件更好地發揮高速性能，有效提高器件電流輸出能力，從而降低單位功率密度的成本。在氮化鎵領域，封裝也是新技術產業化的關鍵因素。Giuliano Cassataro指出，習慣使用貼片封裝硅器件的設計人員可以輕松切換到氮化鎵，從而利用該技術提升效率、功率密度和成本優勢。
在可靠性和質量保證方面，碳化硅器件有平面柵和溝槽柵兩種類型。英飛凌基于溝槽柵SiC MOSFET規避了平面柵的柵極氧化層可靠性問題，實現了更高的功率密度。
目前頭部廠商的寬禁帶器件已經來到1700V的產品規格。袁光明表示，寬禁帶會朝著更低阻抗、更低壓降、更低電容的方向發展。程文濤也指出，碳化硅晶圓的冷切割技術，器件溝道結構優化，氮化鎵門極結構優化，長期可靠性模型、成熟硅功率器件模塊及封裝技術的移植等等，將繼續對寬禁帶半導體的長期發展產生深遠影響。
產業化如何破題
在《2021達摩院十大科技趨勢》（以下簡稱《趨勢》）中，阿里達摩院將“以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體迎來應用大爆發”置于首位。《趨勢》指出，隨著材料生長、器件制備等技術的不斷突破，第三代半導體的性價比優勢逐漸顯現并正在打開應用市場。
快充和新能源汽車的普及，為寬禁帶半導體在消費市場的滲透創造了絕佳機遇。北京半導體行業協會副秘書長朱晶向《中國電子報》記者指出，從器件層面看，寬禁帶半導體最大的市場主要是應用SiC 功率器件的新能源汽車和硅基GaN器件的消費類快充市場，目前國內涌現出大量企業布局此類產品。在碳化硅方面，車規級SiC SBD 和MOSFET成為關注焦點，多家企業推出符合AEC-Q101標準的SiC量產產品。氮化鎵方面，目前國內已有數十家主流電源廠商開辟了氮化鎵快充產品線，推出的氮化鎵快充新品多達數百款。伴隨著氮化鎵快充市場的迅速爆發，氮化鎵功率器件、快充協議芯片以及氮化鎵控制芯片均全面實現國產化，國內氮化鎵企業也伴隨著快充市場的發展而迅速壯大。
一段時期以來，國內寬禁帶半導體在器件開發、產能建設、制備技術、應用推廣等領域取得了一定的進展，初步形成了技術和產業體系。但在產業規模和產品競爭力上，仍與國際先進水平存在差距。
朱晶指出，國內6英寸SiC襯底材料和外延依然與國際領先水平存在較大差距。盡管企業建設第三代半導體生產線的積極性很高，但仍未改變產業規模小、力量散，缺乏國際一流的碳化硅、氮化鎵制造或IDM企業的局面。
郭輝也表示，國內寬禁帶半導體在材料技術和器件可靠性上仍需提升。在材料生長上，Cree等企業已經實現8英寸襯底量產，而國內企業的8英寸襯底基本還停留在實驗室樣品階段。在器件產品上，意法半導體的碳化硅器件已經在特斯拉搭載多年，國內企業的車規級碳化硅器件上車驗證的時間較短，產量和可靠性有待增強。
要抓住市場應用帶來的發展紅利，實現寬禁帶半導體的產業化發展，國內產業需要通過技術改進和產能提升來找到市場與技術的平衡點，基于供應鏈協同能力打造市場與供給之間的良性循環，并形成理智、耐心的發展基調。
和巍巍向記者指出，寬禁帶半導體從開始試用向大規模應用邁進，其難點在于如何使成本與市場需求達到平衡點，行業的發展正在從解決產品長期可靠性問題向追求性價比方向邁進，如6寸碳化硅襯底材料的大批量應用、薄襯底片切割技術的嘗試與應用、設計優化帶來器件功率密度的提升等，都在促進第三代半導體功率器件的降本增效，促進其規模化應用。
朱晶表示，在SiC襯底材料和外延等基礎環節，加快建立適應國內最終需求的集成電路供給體系，打造基于國產芯片供應鏈體系的內循環生態，形成超大規模市場與供給能力提升之間的良性循環。
對于產業鏈各環節主體，郭輝提出了兩個關鍵詞：沖勁兒和耐心。“寬禁帶是一個回報周期長的產業，無論投資、研發還是形成產能，都不是立竿見影能看到效果的，各方不能抱著掙快錢的心態入行。國內的技術團隊、市場主體、投資方和政策制定方既要有沖勁，也要有耐心。大家一起咬住牙，共同努力3~5年，產業的狀況就會改善很多。”郭輝說。
