第三代半導(dǎo)體來勢洶洶 前代材料將全面退賽？
第三代半導(dǎo)體來勢洶洶 前代材料將全面退賽？
來源:科技日報
從半導(dǎo)體材料的三項重要參數(shù)看，第三代半導(dǎo)體材料在電子遷移率、飽和漂移速率、禁帶寬度三項指標(biāo)上均有著優(yōu)異的表現(xiàn)。
半導(dǎo)體行業(yè)中有“一代材料、一代技術(shù)、一代產(chǎn)業(yè)”的說法。
與一些人對“工業(yè)王冠上的鉆石”生產(chǎn)制造上的斷言相似，在芯片制造中，材料若缺席，技術(shù)充其量就是一紙PPT，無法落地為產(chǎn)品。
隨著以碳化硅、氮化鎵等寬禁帶化合物為代表的第三代半導(dǎo)體應(yīng)用技術(shù)的進步，5G、毫米波通訊、新能源汽車、光伏發(fā)電、航空航天等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵核心器件的性能將獲得質(zhì)的提升。
以氮化鎵材料切入電源管理應(yīng)用為標(biāo)志，第三代半導(dǎo)體的“超級風(fēng)口”已呼嘯而至。
《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》已將推動“碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展”寫入了“科技前沿領(lǐng)域攻關(guān)”部分。
化合物半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)迎來新風(fēng)貌
當(dāng)?shù)谝淮⒌诙雽?dǎo)體材料工藝逐漸接近物理極限，有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)瓶頸的第三代半導(dǎo)體材料成為行業(yè)發(fā)展的寵兒。
事實上，國內(nèi)之所以將半導(dǎo)體材料以“代”來劃分，多少緣自于隨著半導(dǎo)體材料的大規(guī)模應(yīng)用而來的三次產(chǎn)業(yè)革命。
第一代半導(dǎo)體材料以硅（Si）為代表，其取代了笨重的電子管，推動了以集成電路為核心的微電子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。
第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）等為主，磷化銦半導(dǎo)體激光器是光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，砷化鎵高速器件更開拓了光纖及移動通信新產(chǎn)業(yè)。
而以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體材料則有效推動著半導(dǎo)體照明、顯示、電力汽車等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
從半導(dǎo)體材料的三項重要參數(shù)看，第三代半導(dǎo)體材料在電子遷移率（低壓條件下的高頻工作性能）、飽和漂移速率（高壓條件下的高頻工作性能）、禁帶寬度（器件的耐壓性能、最高工作溫度與光學(xué)性能）三項指標(biāo)上均強于硅材料器件。
其中，最引人注目的是第三代半導(dǎo)體的“寬禁帶（WideBand-Gap，WBG）”。高禁帶寬度的好處是，器件耐高壓、耐高溫，并且功率大、抗輻射、導(dǎo)電性能強、工作速度快、工作損耗低。
但參數(shù)的優(yōu)異并不意味著半導(dǎo)體材料一代更比一代好。事實上，一、二、三代半導(dǎo)體材料各有其適合的應(yīng)用范疇，在未來很長的時間中，這三代半導(dǎo)體材料還將共存。
雖然硅材料沒有那么牛的參數(shù)，但在可靠性和整體性能上，目前還沒有任何半導(dǎo)體材料可以和它抗衡。作為半導(dǎo)體行業(yè)人士心中的“終極半導(dǎo)體”，金剛石甚至連實驗室都還沒走出。
但同時我們可以看到，隨著氮化鎵材料切入電源管理，化合物半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的風(fēng)貌迎來改變。
化合物半導(dǎo)體泛指各種不以硅為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料，通常可分成三五族半導(dǎo)體與二六族半導(dǎo)體。
三五族半導(dǎo)體由三族的元素鋁、鎵、銦及五族的元素氮、磷、砷、銻等組成。二六族半導(dǎo)體則是由二族的元素鋅、鎘、汞和六族元素硫、硒、碲形成的化合物。
所有電子設(shè)備都需要電源管理，當(dāng)?shù)壡瞄_電源管理這個龐大市場的大門，化合物半導(dǎo)體也開始展現(xiàn)出不容小覷的商業(yè)潛力。
第三代半導(dǎo)體尚待產(chǎn)品導(dǎo)入
由于制備工藝成熟、自然界儲備量大且應(yīng)用廣泛，硅材料器件有著難以逾越的價格優(yōu)勢。
然而，當(dāng)特斯拉為了行駛里程僅5%的提升，不惜以成本高幾倍的代價率先全面采用碳化硅時，這種新材料在新能源汽車及配套領(lǐng)域的應(yīng)用潛力就得到了驗證，為將節(jié)能視為首要需求的行業(yè)樹立了一塊樣板。
雖然成本高昂、生產(chǎn)工藝不成熟等問題還待解決，但第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用之門已經(jīng)拉開了一條縫。
阿里巴巴達摩院發(fā)布的2021十大科技趨勢將“第三代半導(dǎo)體迎來應(yīng)用大爆發(fā)”列在首位。
達摩院認(rèn)為，未來五年，第三代半導(dǎo)體材料將在材料生長、器件制備等技術(shù)上實現(xiàn)突破，基于第三代半導(dǎo)體材料的電子器件將廣泛應(yīng)用于5G基站、新能源汽車、特高壓、數(shù)據(jù)中心等場景，大幅降低整體能耗。
可以預(yù)見的是，隨著5G、新能源汽車等市場對第三代半導(dǎo)體的需求擴大，以及制備技術(shù)特別是大尺寸材料生長技術(shù)不斷獲得突破，第三代半導(dǎo)體的性價比也將得到提升。
第三代半導(dǎo)體在高溫、強輻射、大功率等特殊場景中的優(yōu)勢顯著。但在可預(yù)見的功率器件等第三代半導(dǎo)體最有潛力的市場中，硅材料目前仍占主導(dǎo)地位，讓企業(yè)從已經(jīng)成熟的硅產(chǎn)品線切換到第三代半導(dǎo)體，并不是件容易的事。
第三代半導(dǎo)體的難點不在設(shè)備和邏輯電路設(shè)計，要走向規(guī)模商用，如何有效降低襯底價格、提高尺寸，如何配合不同材料的制程條件形成有效開發(fā)流程，持續(xù)滲透功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，相關(guān)企業(yè)還需努力。
在達摩院十大科技趨勢項目組專家看來，第三代半導(dǎo)體要走向規(guī)模化、商用化，有些必要條件還需滿足。
比如，細(xì)分領(lǐng)域的代際優(yōu)勢獲得市場進一步驗證，元器件可靠性能夠滿足整機廠商對消費端及工業(yè)端的差異化需求，應(yīng)用端利潤可基本覆蓋材料到制程的投入，代工體系有效支撐通用芯片的穩(wěn)定供貨及面向第三代半導(dǎo)體器件與電路的專業(yè)工程師群體的成長。
不能錯過新一列半導(dǎo)體列車
和設(shè)計環(huán)節(jié)相比，半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)的規(guī)模小得多，但技術(shù)要求更高，是整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的根基。
芯片不是半導(dǎo)體行業(yè)的全部，卻對材料性能要求最為苛刻，生產(chǎn)工藝最為復(fù)雜，顯示面板次之，光伏面板最低。
半導(dǎo)體材料涉及各種金屬、合金、非金屬，各類元素以及酸、堿等各類試劑，細(xì)分子行業(yè)多達上百個，也潛藏著很多隱形冠軍。
在全球半導(dǎo)體材料供應(yīng)鏈中，日企占據(jù)主導(dǎo)地位。第三代半導(dǎo)體行業(yè)中，歐美日廠商三足鼎立，全球70%—80%的碳化硅市場由美國把控。
近年來，我國半導(dǎo)體廠商在設(shè)計、制造和封測三個半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)取得了長足的進步，一些設(shè)計和封測廠商已進入全球領(lǐng)先陣營。
但是，在半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)我們與國外廠商的差距依然很大，其所需的關(guān)鍵設(shè)備和半導(dǎo)體材料尤為薄弱。國內(nèi)第三代半導(dǎo)體企業(yè)多數(shù)還處于研發(fā)、項目建設(shè)或小批量供貨階段。
相比傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體動輒高達千億級別的投資，第三代半導(dǎo)體投資強度小，但戰(zhàn)略意義大，被產(chǎn)學(xué)研各界視為我國擺脫集成電路產(chǎn)業(yè)對外依賴，實現(xiàn)技術(shù)追趕和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的突破口。
中科院院士郝躍等專家認(rèn)為，我國第三代半導(dǎo)體發(fā)展水平與國際先進水平差距不大，可以成為國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展突破口。
第三代半導(dǎo)體是科研領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，企業(yè)在集成電路和半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域也開始大規(guī)模投入。
但正如今年全國兩會期間全國政協(xié)委員王文銀表達的觀點，第三代半導(dǎo)體盈利釋放緩慢，應(yīng)該避免產(chǎn)業(yè)發(fā)展從一擁而上變?yōu)橐坏乩墙澹ㄟ^規(guī)劃引導(dǎo)將地方付出變?yōu)檎嬲漠a(chǎn)能。
人們期待第三代半導(dǎo)體市場出現(xiàn)這樣一個群體——規(guī)模不必大卻擁有話語權(quán)及產(chǎn)業(yè)鏈把控能力，既能為常規(guī)經(jīng)濟高質(zhì)量運行提供保障和支撐，也能在關(guān)鍵時刻發(fā)揮奇兵效應(yīng)。
