中國芯片新篇(二):跨越式進擊,第三代半導體

2020/9/17 17:54:24 來源:IT之家 作者:汐元 責編:汐元

公元 2020 年 9 月 4 日,一則 “我國將把大力發展第三代半導體產業寫入‘十四五’規劃”的消息引爆市場,引起第三代半導體概念股集體沖高漲停,場面十分壯觀。

暴漲逆襲之間,“第三代半導體”成了瘋狂刷屏的明星詞,人們驚呼下一個風口來了。

巧合的是,華為消費者業務 CEO 余承東在 8 月 7 日接受采訪時也曾表示:

現在我們從第二代半導體進入第三代半導體時代,希望在一個新的時代實現領先。在終端的多個器件上,華為都在投入。華為也帶動了一批中國企業公司的成長,包括射頻等等向高端制造業進行跨越。

第三代半導體到底是什么?為什么會突然被炒上天?在中國芯片產業被美國強勢打壓下,第三代半導體又在扮演什么角色?

今天IT之家就和大家好好聊一聊。

一、第三代半導體是什么?

看到第三代半導體,你肯定會想第一代、第二代是什么。這里的 “代際”,是根據半導體制造材料來劃分的。

在《兵進光刻機,中國芯片血勇突圍戰》一文中,IT之家曾介紹,芯片制造的第一步是從沙子里提煉出高純度的硅。

硅,就是制造半導體最早的材料之一,也是第一代半導體。

以下是三代半導體最主要的材料:

第一代半導體:硅、鍺;

第二代半導體:砷化鎵、磷化銦;

第三代半導體:氮化鎵、碳化硅。

半導體材料發展到第三代,肯定是因為氮化鎵、碳化硅相比前兩代有優勢,才會被重用。那么它有什么優勢呢?

IT之家搜索資料,發現答案是這樣的:

更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更高的電子飽和速率、更高的抗輻射能力……

每個字都認得,但連起來就看不懂了。

所以接下來IT之家不妨就來給大伙翻譯翻譯。

不過這個解釋的過程可能會涉及一些理化方面的知識,稍微有一丟丟的深。大家如果不想看,也可以直接跳到本部分的第 3 小節。

1、半導體的工作原理

要理解這些,我們要從什么是半導體說起。

半導體,顧名思義,就是導電性在絕緣體和導體之間的物體。

導體能導電,意思就是能夠讓電流通過。而中學物理告訴我們,電流就是自由電子在電場力的作用下做定向運動形成的。

所以,導體中必須有大量的自由電子。那么這些自由電子怎么來的呢?

我們知道,物質是由分子構成的,分子是由原子構成的,原子是由原子核以及圍繞在周圍的電子構成的。

原子核帶正電荷,電子帶負電荷,異性相吸,所以電子圍繞在原子核周圍不停地轉。

這原子核,就像古代富貴家族的大公子哥,特別帥,有一種獨特的吸引力,能吸引三妻四妾(電子)圍在他身邊。

妻妻妾妾嫁進公子哥的家族后,那些住得和丈夫比較近的,天天耳鬢廝磨,感情深厚,自然不離不棄。

而和丈夫住得比較遠的妾們,和公子的感情比較淡,空守寂寞,久而久之,自然就有一種擺脫家族婚姻束縛,追求自由愛情的沖動。

就好像那句著名的詩:一枝啥啥出墻來,大家懂的。

事實上,在她們面前,真的有一道墻,家族豪宅的圍墻,這道墻阻礙了她們對自由的向往。

對應到物理學上,大家族豪宅內的區域,叫做原子核周圍的 “價帶”,而那道墻,叫做禁帶,墻外的區域,叫做導帶。

其中,禁帶是不能存在電子的,就好像有人想追求自由,她不可能騎在墻頭上光明正大地和隔壁的王公子約會,她只會想辦法穿過那道墻。

物質也是如此,價帶邊緣的電子,更有一種擺脫原子核束縛,穿越禁帶,來到導帶,成為自由電子的趨向和可能。

換句話說,只要電子能夠越過禁帶,來到導帶,成為自由電子,那么物體就能導電。

所以,禁帶就成了區分導體和絕緣體的關鍵。

通常,導體的禁帶非常窄,甚至沒有,所以價帶的電子很容易來到導帶成為自由電子,因此導體是能導電的。

絕緣體的禁帶非常寬,價帶的電子怎么也越不過去,所以絕緣體是不導電的。

而半導體呢,它的禁帶寬度介于絕緣體和導體之間,價帶的電子是有機會來到導帶的,只是需要一些外部的能量。

這外部的能量,可以是陽光,也可以是其他,例如額外的電壓。

也就是說,給它施加一個電壓,那么價帶的電子就能越過禁帶,成為自由電子,半導體就導電了。

這個過程我們叫 “本征激發”。

當然,關掉電壓,半導體又不導電了。

半導體從絕緣變成導體的時候,叫做擊穿,這時候對應的電壓叫做擊穿電壓,形成的電場強度叫做擊穿場強。

所以,“更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場”,意思都是在說,第三代半導體能承受更高的電壓。

2、從半導體到晶體管

除了電壓,半導體能不能導電,其實還和其他因素有關,例如摻雜程度。

怎么理解這個摻雜程度呢?又要翻開中學理化課本了。

我們用半導體最經典的材料硅來舉例。硅元素有 14 個電子,按 2-8-4 分三層排列。

可是我們知道,原子最外層 8 個電子可以構成穩定狀態。這時硅就想了,我這最外層只有 4 個電子,要是能想辦法湊成 8 個電子多好??!

方法還真有,那就是和別的原子共用。比如兩個硅原子碰到一起,就會說,你最外面有 4 個電子,我最外面也有 4 個電子,咱倆共用一下,不就都有 8 個電子了嗎?

所以,硅原子在一起,都是以這樣的狀態存在的:

了解這這一點,下面就要舉一反三了。

如果我們在硅里摻雜一些磷原子會怎樣呢?磷的最外層有 5 個電子,當它和硅原子共享完 4 個電子后,就會發現自己還剩下 1 個多余的電子,這個電子就成了自由電子。

這樣摻雜后,原來的硅就會變成攜帶自由電子的半導體,我們把它叫做 “N 型半導體”。

而如果我們摻雜的不是磷,而是硼呢?硼最外層有 3 個電子,所以它只能和硅共用 3 個電子,還差一個電子沒法共用,那也沒辦法,只能空在哪里,所以就形成了等價于正電荷的空穴。

這時候,硅就成了一種類似于帶正電荷自由電子的半導體,我們把它叫做 “P 型半導體”。

注意,N 型半導體并不是只有自由電子,也有一些正電荷的空穴,只是這些空穴很少,是硅自己本征激發形成的。

同理,P 型半導體也有一些帶正電荷的自由電子,也是本征激發形成的。

一個帶有很多自由移動的電子(負電荷),一個帶有很多的空穴(相當于正電荷),要是把 N 型半導體和 P 型半導體放一塊,那會怎么樣呢?

那還用說?那自由電子和空穴肯定就像對愛情渴慕已久的年輕男女,一見面就如狼似虎地糾纏在一起了唄。

不過,實際過程是這樣的:

當 N 型半導體和 P 型半導體在一起,距離最近的自由電子和空穴首先迫不及待地結合在一起;

然后距離比他們稍微遠一些的自由電子和空穴也紛紛聚攏過來;

這些 “情侶”太喜歡秀恩愛了,就在路中間抱了起來,結果,他們形成了一道 “人墻”,把路給擋住了。

這就尷尬了,他們擋住了路,后面的 “情侶”們就過不來了。

這時候,右邊的 N 型半導體中的一些自由電子因為和空穴結合,相當于失去了一些電子,因此整體呈現正電;

左邊的 P 型半導體中的一些空穴因為和自由電子結合,相當于失去了一些空穴,因此整體呈負電;

如此一來,兩邊就形成了一個電場,方向是從 N 型到 P 型,這個電場叫 “內建電場”。

中學物理課本說道:電子受力方向和電場方向相反。

因此這個內建電場形成后,N 區自由電子進入電場就會被彈出來,就像撞了墻一樣,所以他們就到不了 P 區了。

不過呢,前面我們說了,P 區也是有少量自由電子的,他們的受力方向和電場方向是相同的,就可以在電場力的作用下,順利漂到 N 區。

這個過程叫做 “載流子漂移”,他們飄到 N 區的過程,代表這個 PN 半導體可以通電,直到兩邊達到平衡。

而這個漂移運動的快慢,人們用 “電子遷移率”來表示。

注意,這些過程和上面 “人墻”的形成是動態同步進行的,人們把這種結構叫做 “PN 結”。

說了這么多,PN 結的這些特性有什么用呢?當然有用了。

如果我們再 N 區施加負電壓,P 區施加正電壓,那么 PN 兩邊就會形成一個新的電場,反方向從 P 到 N。

這個新的電場會抵消內建電場,內建電場被抵消后,“人墻”就會慢慢變小,最后消失,兩邊的載流子就可以暢通無阻了,這個 PN 半導體就可以通電;

而如果我們在 N 區施加的是正電,P 區施加的是負電,那么新的電場就會和內建電場方向相同,“人墻”就會越來越寬,導致載流子再也無法漂移,半導體就斷電了。

正是基于這通操作,人們制造了晶體管。晶體管是芯片的最小單位。

晶體管是什么?其實就是很小很小的開關,控制半導體通電和斷電,通電代表 “1”, 斷電代表 “0”,由此形成各種龐大復雜的二進制運算。

當然,晶體管的具體結構和知識要復雜得多,上面所說的知識基礎原理,至于關于晶體管的更多內容,這里就不便深入了。

那么都是制造晶體管的原材料,第三代半導體比過去的硅這些先進在哪?

“更寬的禁帶寬度”和 “更高的擊穿電場”前面我們已經解釋過了,更高的電子飽和速率,大家就可以理解為,用第三代半導體制造的晶體管,載流子漂移速度很高,他們的漂移速度高,晶體管完成通電和斷電的速度就更快,這意味著他們的頻率更高。

第三代半導體不僅電子飽和速率高,電子遷移率高,這意味著載流子遷移的時候基本沒什么阻礙,阻礙意味著什么,意味著功耗、發熱,所以第三代半導體的功耗、發熱也是很低的。

至于更高的抗輻射能力,就比較好理解了。輻射可能對半導體產生不良影響,例如改變摻雜的程度、改變自由電子的運動,甚至引起半導體物理屬性的改變等,因此更高的抗輻射能力可以帶來更好的系統穩定性。

3、第三代半導體的優勢和應用

上面說的是幫大家理解第三代半導體優勢背后的原理。

如果大家不想看上面這些,IT之家也為大家總結了第三代半導體的主要優勢,大家可以只記住這些:

  • 耐高溫;

  • 耐高壓;

  • 耐大電流;

  • 功率高;

  • 工作頻率高;

  • 功耗小,發熱低;

  • 抗輻射能力強。

就拿功率和頻率來說,第一代半導體材料的代表硅,功率在 100W 左右,但是頻率只有大約 3GHz;第二代的代表砷化鎵,功率不足 100W,但頻率卻能達到 100GHz。因此前兩代半導體材料更多是互為補充的關系。

而第三代半導體的代表氮化鎵和碳化硅,功率可以在 1000W 以上,頻率也可以接近 100GHz,優勢非常明顯,因此未來有可能是取代前兩代半導體材料的存在。

不過,擺在氮化鎵和碳化硅普及面前的問題也有不少,比如單晶生長時間長、技術門檻高、成本高、良率低等,這些問題還有待產業鏈不斷去攻克。

第三代半導體的這些優勢,很大程度上都得益于一點:它們相比前兩代半導體具有更大的禁帶寬度。甚至可以說,三代半導體之間的主要區分指標就是禁帶寬度。

因為具有上面這些優勢,第三點半導體材料可以滿足現代電子科技對高溫、高壓、高功率、高頻以及高輻射等惡劣環境的要求,因此可以在航空、航天、光伏、汽車制造、通訊、智能電網等前沿行業中有大規模應用。目前主要是制造功率半導體器件。

具體到氮化鎵和碳化硅各自的應用,要先說一下芯片的基本結構,分為襯底、外延和器件結構。

襯底就是芯片的底盤,外延就是襯底上的一層薄膜,器件結構就是表面畫電路圖的地方。

碳化硅的熱導率高于氮化鎵,且單晶生長成本比氮化鎵低,所以目前碳化硅主要被用在第三代半導體芯片的襯底,或者在高壓高可靠領域做外延,而氮化鎵主要在高頻領域做外延。

例如最近流行的氮化鎵充電器,就是利用了氮化鎵高頻的屬性,將充電器內部的元器件做小,才實現了高功率小體積。

氮化鎵由于禁帶寬度大、擊穿電場高、化學性質穩定和抗輻射能力強等優點,經常被用來制造高溫、高頻、大功率微波器件。

例如軍工電子中的軍事通訊、電子干擾、雷達等領域,其他方面則如通訊基站中的射頻元件、功率器件等,能大大減小基站的質量、體積。

而碳化硅則是極限功率器件的理想材料。

例如它有一個重要應用是在新能源汽車中制造主驅逆變器、DC/DC 轉換器、充電系統中的車載充電機和充電樁等,在這些領域中未來將大面積取代硅,此外,碳化硅在光伏、風電、高速列車等領域也有廣泛應用。

總結起來,氮化鎵主要應用于低壓和高頻領域,碳化硅主要應用于中高壓領域。

二、中國第三代半導體產業現狀

和傳統的半導體一樣,第三代半導體的產業鏈也包括上游的材料和設備,中游的芯片設計、制造和封測,下游的應用。不同在于,第三代半導體的區別主要在于材料,因此IT之家在講解時也更側重于從產業鏈上游層面來說明。

由于氮化鎵和碳化硅是第三代半導體的主要材料,因此這一部分我們以這兩種材料為線分開來講。

1、碳化硅

碳化硅的生產步驟包括單晶生長、外延層生長以及器件制造,分別對應襯底、外延和器件??傮w來說,碳化硅產業目前主要處于國外企業壟斷的局面。

襯底方面,目前國際正在從 4 英寸向 6 英寸過渡,且已有 8 英寸導電型產品,而國內仍然以 4 英寸為主。

目前國際上碳化硅襯底核心企業包括美國 DowCorning、德國 SiCrystal、美國 II-VI、日本昭和電工等,他們占據碳化硅襯底的主要產能。

國內則以天科合達、山東天岳、同光晶體等公司為主,他們均能供應 3 英寸~ 6 英寸的單晶襯底。

外延方面,外延片企業主要以美國的 DowCorning、II-VI、Cree,日本的羅姆、三菱電機,德國的 Infineon 等為主。國內瀚天天成、東莞天域已能提供 4 寸 / 6 寸的碳化硅外延片。

器件方面,國際上 600~1700V SiC SBD、MOSFET 已經實現產業化,主流產品耐壓水平在 1200V 以下,核心企業為 Infineon、Cree、羅姆、意法半導體等。

國內則主要有泰科天潤、深圳基本半導體、中電科 55 所、上海瞻芯電子、三安光電等,覆蓋碳化硅器件的設計、代工各個環節。其中泰科天潤已經量產 SiC SBD,產品涵蓋 600V/5A~50A、1200V/5A~50A 和 1700V/10A 系列。

總體來說,全球碳化硅的產業格局還是以美國、歐洲、日本為主,特別是美國,全球 70%-80% 的碳化硅產量都來自美國。

中國在這個領域主要是后來者的姿態,不過國內碳化硅產業發展較快,并且產業鏈各個環節也比較完整,正在快速追趕國際領先的企業,如果持之以恒加大發展,未來能夠自給的機會還是比較大的。

2、氮化鎵

氮化鎵和碳化硅的情況類似,目前產業也仍然被國外企業把持,國內企業的發展相對薄弱,且主要集中在軍工方面。

和碳化硅一樣,氮化鎵也可以分為襯底、外延以及器件三個方面。

首先是襯底,目前國際上以 2~3 英寸為主,4 英寸較少,但也正在逐步商用。這個產業的市場主導是日本的住友電工,份額達到 90% 以上。國內像蘇州納維科技公司和有北大背景的東莞市中鎵半導體科技公司,均已實現產業化。

外延方面,氮化鎵的外延片主要有四種:硅基氮化鎵、碳化硅基氮化鎵、藍寶石氮化鎵和氮化鎵基板的氮化鎵。

這些外延片目前主要是日本的 NTT-AT、比利時的 EpiGaN 、英國的 IQE 、臺灣嘉晶電子等在供應。

國內相關企業則主要是蘇州晶湛、蘇州能華和世紀金光,其中蘇州晶湛 2014 年就已研發出 8 英寸硅基外延片,目前 150mm 的硅基氮化鎵外延片的月產能達 1 萬片。

氮化鎵的器件分為射頻器件和電力電子器件。在器件的設計方面,主要有美國的 EPC、MACOM、Transphom、Navitas,德國的 Dialog 等公司,國內有被中資收購的安譜?。ˋmpleon)等。

設計生產一體的企業則包括住友電工和 Cree ,他們的市場占有率均超過 30%,其他還有 Qorvo 和 MACOM;

而中國方面則有蘇州能訊、英諾賽科、江蘇能華等,其中蘇州能訊去年已經建成 4 英寸氮化鎵芯片產線,設計產能為 17000 片 4 英寸氮化鎵晶圓。

負責代工的公司則以美國環宇通訊半導體(GCS)、穩懋半導體、日本富士通、Cree、臺灣嘉晶電子、臺積電、歐洲聯合微波半導體公司(UMS)等為主導,中國的三安集成和海威華芯也已取得了一定的市場成果。其中三安集成在 2018 年末的氮化鎵芯片產能可達到 100 片 / 月。

盡管總體來說我國在氮化鎵的上游材料、制造方面仍然落后于國際先進水平,但是它的商業化進程才剛剛起步,氮化鎵的市場需求將持續高速增加,留給中國的機會和時間也還是有的。

總結

首先我們需要確認,第三代半導體材料在未來半導體行業的地位將至關重要,理由如下:

1、第一第二代半導體瓶頸明顯,難以適應新興產業的發展需求。第三代半導體材料具有取代前兩代半導體材料的潛質,成為未來半導體材料的主流。

2、5G 拉開萬物互聯的序幕,第三代半導體的核心應用功率半導體將會有爆發式增長,前景光明。

3、摩爾定律見頂,除了先進封裝技術外,底層半導體材料的突破,也是突破摩爾定律的重要道路。

而對于中國來說,第三代半導體相比前兩代半導體產業,機遇更大,趕超的機會也更大,原因如下:

1、中國是全球最大的半導體消費市場,且自給率不足 20%,擁有很大的國產替代空間。

2、當前第三代半導體主要應用的功率半導體領域對先進制程的要求并不高,這對于國內產業鏈的完善是一個機會。

3、中國新基建和消費電子市場需求龐大,將為第三代半導體產業的增長打開空間。

4、雖然目前中國在第三代半導體產業中的技術比較薄弱,但國內廠商在第三代半導體有全產業鏈的布局,有一定的自主可控能力。

當然,比上面這些更重要的是國家意志的推動。在美國限制措施越來越緊的背景下,先進半導體材料已上升至國家戰略層面。國家在 2025 中國制造中提到,2025 要實現在 5G 通信、高效能源管理中的國產化率達到 50%;在新能源汽車、消費電子中實現規模應用。這些目標背后離不開第三代半導體的打底。

回到本文開頭所說的,一條消息引起 A 股第三代半導體板塊一飛沖天,資本市場也許少不了噱頭和泡沫,但IT之家相信,中國制造業不斷升級的大方向是不會變的。這條路上,第三代半導體產業無疑是一個時代紅利,我們必須把握住。

參考

推薦閱讀:

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中國芯片往事

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關鍵詞:芯片,半導體,氮化鎵,碳化硅,第三代半導體

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