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半导体

宽禁带半导体技术创新论坛:新材料集聚“芯”动能

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11月17日,由工业和信息化部、安徽省人民政府共同主办的2022世界集成电路大会在安徽省合肥市开幕。作为大会主题论坛之一,宽禁带半导体技术创新论坛于18日成功举办。会上,专家和企业家认为,随着后摩尔时代的来临,以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体,凭借优异的物理特性逐渐走入了人们的视野,被视为后摩尔时代半导体发展的“蹊径”之一。

第三代半导体技术创新联盟副理事长兼秘书长杨富华认为,中国宽禁带半导体产业正迎来战略机遇期。目前,新型电力系统、高铁、新能源汽车、5G/6G通信、半导体照明及超越照明、工业电机及消费电子等市场已启动,应用需求将大大驱动技术创新。如今,中国在宽禁带半导体领域已经有了一定的技术储备,且国际半导体产业和装备巨头还未形成专利、标准和规模的垄断,中国与国际先进水平差距不大。此外,与集成电路相比,宽禁带半导体领域的投资门槛较低,对工艺尺寸线宽、设计复杂度、装备精密制造要求相对低。同时,中国精密加工制造技术和配套能力进步迅猛,已经具备开发并逐步主导该产业的能力和条件。

与此同时,宽禁带半导体技术发展也面临着重重挑战。其一,材料瓶颈。在宽禁带半导体领域,中国缺乏产业级和规模化的先进材料研发,碳化硅籽晶和单晶生长工艺控制技术与国际存在一定差距。其二,芯片代差。中国在宽禁带半导体领域的介质材料、高温高能量等工艺不成熟,芯片制造能力弱、产能不足,良率低、成本高、可靠性差。其三,应用迭代不足。中国的宽禁带半导体技术在芯片设计与应用方面的匹配性不够,上下游联动迭代不够,在系统中成本占比低,进入应用供应链难度大、周期长,产业化能力提升慢。其四,装备依赖进口。如今,国产宽禁带半导体的装备技术引领性不足,处于跟跑状态,检测设备基本全部依赖进口。其五,人才急缺。如今,中国半导体行业各层次人才规模不够,高端和战略性人才急缺。

中国电子科技集团公司第四十三研究所副所长胡朝春表示,宽禁带器件的优异特性在于能够进一步提升功率转换效率,是支撑能源结构转型、通信系统升级、新一代动力装备的核心关键器件。此外,由于硅器件在功率转换系统中的工作频率、效率和工作温度等已达极限,迫切需要采用宽禁带器件来提升性能。然而,如今宽禁带半导体技术也面临着诸多技术挑战。在系统设计方面,需要降低高频电路带来的损耗以及提升氮化镓器件的可靠驱动。在封装集成方面,需要突破高温封装技术、低寄生电感互连、高功率密度系统集成等技术难关。

意法半导体执行副总裁、汽车和分立器件产品部(ADG)功率晶体管子产品部副总裁Edoardo Merli在视频演讲中提到,未来汽车的发展趋势和目标包括减轻重量、减少功率损耗、续航里程扩大到1000公里、减少充电次数及充电时间、提高可靠性、降低成本等。由于碳化硅器件拥有卓越的热特性和电气特性,顺应了电动汽车的技术发展趋势,为电动汽车逆变器技术带来了颠覆性的变革。

深圳基本半导体有限公司总经理和巍巍表示,碳化硅等宽禁带半导体技术主要是在能量转换里面发挥更优异的作用。目前,碳化硅主要有两个前瞻性的应用,其一是轨道交通,其二是智能电网。在轨道交通方面,日本的企业较为领先,2013年2月,三菱电机向东京地铁供应混合碳化硅模块,这是全球首次在轨道交通辅助电源上使用碳化硅器件。2020年7月,日本新干线新一代N700S系电力动车组投入运营,在牵引逆变器中采用了碳化硅器件作为核心功率器件。在智能电网方面,高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置是主要应用领域。如今,高压大电流碳化硅器件已经达到万伏级,国家电网预测2030年后将实现商业化应用,用于电网输电环节的大容量变换设备,市场空间巨大。

SwissSEM Technologies AG公司CTO Arnost Kopta表示,碳化硅MOSFET的整体性能优于硅IGBT,这是一个不容争议的事实。但是,与IGBT相比,由于原材料、加工和产量等因素,碳化硅目前的总成本仍然较高。碳化硅的一些优势也难以被充分利用。因此,碳化硅MOSFET和硅IGBT这两种主要器件将共存很长时间,市场份额会根据系统的总成本来划分,且随着时间的推移,市场会变得更加成熟。

如今,各大碳化硅生产厂商正在加速推动8英寸晶圆的开发量产进程。北京北方华创微电子装备有限公司副总经理谢秋实认为,物联网将成为8英寸晶圆重获新生的关键驱动力。在物联网时代,通过在各种各样的日常用品内嵌入传感器和短距离移动收发器,使得人们能在信息与通信世界里获得一个新的沟通维度,从任何时间、任何地点的人与人之间的沟通连接扩展到人与物、物与物之间的沟通连接。万物都在产生着大量数据,而数据需要被存储、计算、分析、反馈。由此衍生出的多种芯片正共同推进不断扩大的物联网市场,通常物联网芯片不仅包括集成在传感器/模组中的基带芯片、射频芯片、定位芯片等,也包括嵌入在终端中的系统级芯片——嵌入式微处理器(MCU/SoC片上系统等),这些芯片也大多基于8英寸特色工艺生产,可以说物联网的快速发展给8英寸市场带来了新的机遇。近年来,随着智能工厂、智能楼宇、智能汽车、可穿戴设备以及智能医疗等先进科技应用场景和“万物互联”的发展,物联网芯片市场的规模节节攀升,2025年,全球物联网设备将达到400亿台,市场将迎来爆发性增长。

青岛聚能创芯微电子有限公司副总经理李成认为,人工智能、5G通信、新能源汽车等技术的发展,对智能终端快速充电提出了更高要求,需要采用新型半导体器件以提升快充效率,减小快充体积。氮化镓器件得益于材料优势,在速度、效率、耐高温等方面均优于传统硅器件,在功率系统领域具有广泛的应用前景。与硅相比,氮化镓具有3倍的禁带宽度、10倍的击穿电场强度、2.5倍的饱和载流子速度、1.5倍的电子迁移率。因此,氮化镓材料在功率与微波领域,可以大幅提升器件与系统的功率密度、工作频率与能量转换效率。

北京三安光电有限公司副总经理陈东坡表示,碳化硅成新能源车800V时代的超强风口。如今,电动汽车的续航里程低和充电时间长的问题亟须破解,800V高压的快充模式,能大大减少热损失并降低成本,成为破解“双焦虑”的最优解决方案。在高压的工作环境下,IGBT会受到一定限制,而耐高压、耐高温的碳化硅材料更适合这样的工作环境,因此碳化硅能很好地满足新能源车800V系统的工作要求。

合肥芯谷微电子有限公司副总经理黄军恒介绍,GaN-on-SiC技术是氮化镓射频器件当前采用的主要技术,部分采用GaN-on-Si技术。半绝缘型碳化硅衬底适用于做射频氮化镓器件,氮化镓射频应用的碳化硅基氮化家外延片4英寸和6英寸并存,海外6英寸代表企业有Wolfspeed、Qorvo、NXP,4英寸代表企业为住友电工;国内碳化硅基氮化镓外延片主要以4英寸为主。此外,5G通信将成为氮化镓射频器件未来主要市场应用领域。

责任编辑:赵强


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