第三代半導體來勢洶洶 前代材料將全面退賽?

從半導體材料的三項重要參數(shù)看，第三代半導體材料在電子遷移率、飽和漂移速率、禁帶寬度三項指標上均有著優(yōu)異的表現(xiàn)。

半導體行業(yè)中有“一代材料、一代技術、 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體應用技術的進步，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用為標志，第三代半導體的“超級風口”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年遠景目標綱要》已將推動“碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導體發(fā)展”寫入了“科技前沿領域攻關”部分。

化合物半導體制造產(chǎn)業(yè)迎來新風貌

當?shù)谝淮⒌诙雽w材料工藝逐漸接近物理極限，有望突破傳統(tǒng)半導體技術瓶頸的第三代半導體材料成為行業(yè)發(fā)展的寵兒。

事實上，國內(nèi)之所以將半導體材料以“代”來劃分，多少緣自于隨著半導體材料的大規(guī)模應用而來的三次產(chǎn)業(yè)革命。

第一代半導體材料以硅(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。

第二代半導體材料以砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)等為主，磷化銦半導體激光器是光通信系統(tǒng)的關鍵器件，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體材料則有效推動著半導體照明、顯示、電力汽車等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

從半導體材料的三項重要參數(shù)看，第三代半導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性能)三項指標上均強于硅材料器件。

其中，最引人注目的是第三代半導體的“寬禁帶(Wide Band-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)異并不意味著半導體材料一代更比一代好。事實上，一、二、三代半導體材料各有其適合的應用范疇，在未來很長的時間中，這三代半導體材料還將共存。

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體材料可以和它抗衡。作為半導體行業(yè)人士心中的“終極半導體”，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，化合物半導體制造產(chǎn)業(yè)的風貌迎來改變。

化合物半導體泛指各種不以硅為基礎的半導體材料，通常可分成三五族半導體與二六族半導體。

三五族半導體由三族的元素鋁、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。

所有電子設備都需要電源管理，當?shù)壡瞄_電源管理這個龐大市場的大門，化合物半導體也開始展現(xiàn)出不容小覷的商業(yè)潛力。

第三代半導體尚待產(chǎn)品導入

由于制備工藝成熟、自然界儲備量大且應用廣泛，硅材料器件有著難以逾越的價格優(yōu)勢。

然而，當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域的應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，但第三代半導體的應用之門已經(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“第三代半導體迎來應用大爆發(fā)”列在首位。

達摩院認為，未來五年，第三代半導體材料將在材料生長、器件制備等技術上實現(xiàn)突破，基于第三代半導體材料的電子器件將廣泛應用于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。

可以預見的是，隨著5G、新能源汽車等市場對第三代半導體的需求擴大，以及制備技術特別是大尺寸材料生長技術不斷獲得突破，第三代半導體的性價比也將得到提升。

第三代半導體在高溫、強輻射、大功率等特殊場景中的優(yōu)勢顯著。但在可預見的功率器件等第三代半導體最有潛力的市場中，硅材料目前仍占主導地位，讓企業(yè)從已經(jīng)成熟的硅產(chǎn)品線切換到第三代半導體，并不是件容易的事。

第三代半導體的難點不在設備和邏輯電路設計，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)滲透功率半導體領域，相關企業(yè)還需努力。

在達摩院十大科技趨勢項目組專家看來，第三代半導體要走向規(guī)模化、商用化，有些必要條件還需滿足。

比如，細分領域的代際優(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體列車

和設計環(huán)節(jié)相比，半導體制造環(huán)節(jié)的規(guī)模小得多，但技術要求更高，是整個半導體產(chǎn)業(yè)的根基。

芯片不是半導體行業(yè)的全部，卻對材料性能要求最為苛刻，生產(chǎn)工藝最為復雜，顯示面板次之，光伏面板最低。

半導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。

在全球半導體材料供應鏈中，日企占據(jù)主導地位。第三代半導體行業(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，我國半導體廠商在設計、制造和封測三個半導體芯片產(chǎn)業(yè)關鍵環(huán)節(jié)取得了長足的進步，一些設計和封測廠商已進入全球領先陣營。

但是，在半導體制造環(huán)節(jié)我們與國外廠商的差距依然很大，其所需的關鍵設備和半導體材料尤為薄弱。國內(nèi)第三代半導體企業(yè)多數(shù)還處于研發(fā)、項目建設或小批量供貨階段。

相比傳統(tǒng)硅半導體動輒高達千億級別的投資，第三代半導體投資強度小，但戰(zhàn)略意義大，被產(chǎn)學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為，我國第三代半導體發(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。

第三代半導體是科研領域的重要發(fā)展方向，企業(yè)在集成電路和半導體技術領域也開始大規(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，第三代半導體盈利釋放緩慢，應該避免產(chǎn)業(yè)發(fā)展從一擁而上變?yōu)橐坏乩墙澹ㄟ^規(guī)劃引導將地方付出變?yōu)檎嬲漠a(chǎn)能。

人們期待第三代半導體市場出現(xiàn)這樣一個群體——規(guī)模不必大卻擁有話語權及產(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，也能在關鍵時刻發(fā)揮奇兵效應。

標簽： 第三代半導體