中国芯片新篇(二):跨越式进击,第三代半导体

2020/9/17 17:54:24 来源:IT之家 作者:汐元 责编:汐元

公元 2020 年 9 月 4 日,一则 “我国将把大力发展第三代半导体产业写入‘十四五’规划”的消息引爆市场,引起第三代半导体概念股集体冲高涨停,场面十分壮观。

暴涨逆袭之间,“第三代半导体”成了疯狂刷屏的明星词,人们惊呼下一个风口来了。

巧合的是,华为消费者业务 CEO 余承东在 8 月 7 日接受采访时也曾表示:

现在我们从第二代半导体进入第三代半导体时代,希望在一个新的时代实现领先。在终端的多个器件上,华为都在投入。华为也带动了一批中国企业公司的成长,包括射频等等向高端制造业进行跨越。

第三代半导体到底是什么?为什么会突然被炒上天?在中国芯片产业被美国强势打压下,第三代半导体又在扮演什么角色?

今天IT之家就和大家好好聊一聊。

一、第三代半导体是什么?

看到第三代半导体,你肯定会想第一代、第二代是什么。这里的 “代际”,是根据半导体制造材料来划分的。

在《兵进光刻机,中国芯片血勇突围战》一文中,IT之家曾介绍,芯片制造的第一步是从沙子里提炼出高纯度的硅。

硅,就是制造半导体最早的材料之一,也是第一代半导体。

以下是三代半导体最主要的材料:

第一代半导体:硅、锗;

第二代半导体:砷化镓、磷化铟;

第三代半导体:氮化镓、碳化硅。

半导体材料发展到第三代,肯定是因为氮化镓、碳化硅相比前两代有优势,才会被重用。那么它有什么优势呢?

IT之家搜索资料,发现答案是这样的:

更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率、更高的抗辐射能力……

每个字都认得,但连起来就看不懂了。

所以接下来IT之家不妨就来给大伙翻译翻译。

不过这个解释的过程可能会涉及一些理化方面的知识,稍微有一丢丢的深。大家如果不想看,也可以直接跳到本部分的第 3 小节

1、半导体的工作原理

要理解这些,我们要从什么是半导体说起。

半导体,顾名思义,就是导电性在绝缘体和导体之间的物体。

导体能导电,意思就是能够让电流通过。而中学物理告诉我们,电流就是自由电子在电场力的作用下做定向运动形成的。

所以,导体中必须有大量的自由电子。那么这些自由电子怎么来的呢?

我们知道,物质是由分子构成的,分子是由原子构成的,原子是由原子核以及围绕在周围的电子构成的。

原子核带正电荷,电子带负电荷,异性相吸,所以电子围绕在原子核周围不停地转。

这原子核,就像古代富贵家族的大公子哥,特别帅,有一种独特的吸引力,能吸引三妻四妾(电子)围在他身边。

妻妻妾妾嫁进公子哥的家族后,那些住得和丈夫比较近的,天天耳鬓厮磨,感情深厚,自然不离不弃。

而和丈夫住得比较远的妾们,和公子的感情比较淡,空守寂寞,久而久之,自然就有一种摆脱家族婚姻束缚,追求自由爱情的冲动。

就好像那句著名的诗:一枝啥啥出墙来,大家懂的。

事实上,在她们面前,真的有一道墙,家族豪宅的围墙,这道墙阻碍了她们对自由的向往。

对应到物理学上,大家族豪宅内的区域,叫做原子核周围的 “价带”,而那道墙,叫做禁带,墙外的区域,叫做导带

其中,禁带是不能存在电子的,就好像有人想追求自由,她不可能骑在墙头上光明正大地和隔壁的王公子约会,她只会想办法穿过那道墙。

物质也是如此,价带边缘的电子,更有一种摆脱原子核束缚,穿越禁带,来到导带,成为自由电子的趋向和可能。

换句话说,只要电子能够越过禁带,来到导带,成为自由电子,那么物体就能导电

所以,禁带就成了区分导体和绝缘体的关键

通常,导体的禁带非常窄,甚至没有,所以价带的电子很容易来到导带成为自由电子,因此导体是能导电的。

绝缘体的禁带非常宽,价带的电子怎么也越不过去,所以绝缘体是不导电的。

而半导体呢,它的禁带宽度介于绝缘体和导体之间,价带的电子是有机会来到导带的,只是需要一些外部的能量。

这外部的能量,可以是阳光,也可以是其他,例如额外的电压。

也就是说,给它施加一个电压,那么价带的电子就能越过禁带,成为自由电子,半导体就导电了。

这个过程我们叫 “本征激发”

当然,关掉电压,半导体又不导电了。

半导体从绝缘变成导体的时候,叫做击穿,这时候对应的电压叫做击穿电压,形成的电场强度叫做击穿场强。

所以,“更宽的禁带宽度、更高的击穿电场”,意思都是在说,第三代半导体能承受更高的电压

2、从半导体到晶体管

除了电压,半导体能不能导电,其实还和其他因素有关,例如掺杂程度。

怎么理解这个掺杂程度呢?又要翻开中学理化课本了。

我们用半导体最经典的材料硅来举例。硅元素有 14 个电子,按 2-8-4 分三层排列。

可是我们知道,原子最外层 8 个电子可以构成稳定状态。这时硅就想了,我这最外层只有 4 个电子,要是能想办法凑成 8 个电子多好啊!

方法还真有,那就是和别的原子共用。比如两个硅原子碰到一起,就会说,你最外面有 4 个电子,我最外面也有 4 个电子,咱俩共用一下,不就都有 8 个电子了吗?

所以,硅原子在一起,都是以这样的状态存在的:

了解这这一点,下面就要举一反三了。

如果我们在硅里掺杂一些磷原子会怎样呢?磷的最外层有 5 个电子,当它和硅原子共享完 4 个电子后,就会发现自己还剩下 1 个多余的电子,这个电子就成了自由电子。

这样掺杂后,原来的硅就会变成携带自由电子的半导体,我们把它叫做 “N 型半导体”

而如果我们掺杂的不是磷,而是硼呢?硼最外层有 3 个电子,所以它只能和硅共用 3 个电子,还差一个电子没法共用,那也没办法,只能空在哪里,所以就形成了等价于正电荷的空穴。

这时候,硅就成了一种类似于带正电荷自由电子的半导体,我们把它叫做 “P 型半导体”

注意,N 型半导体并不是只有自由电子,也有一些正电荷的空穴,只是这些空穴很少,是硅自己本征激发形成的。

同理,P 型半导体也有一些带正电荷的自由电子,也是本征激发形成的。

一个带有很多自由移动的电子(负电荷),一个带有很多的空穴(相当于正电荷),要是把 N 型半导体和 P 型半导体放一块,那会怎么样呢?

那还用说?那自由电子和空穴肯定就像对爱情渴慕已久的年轻男女,一见面就如狼似虎地纠缠在一起了呗。

不过,实际过程是这样的:

当 N 型半导体和 P 型半导体在一起,距离最近的自由电子和空穴首先迫不及待地结合在一起;

然后距离比他们稍微远一些的自由电子和空穴也纷纷聚拢过来;

这些 “情侣”太喜欢秀恩爱了,就在路中间抱了起来,结果,他们形成了一道 “人墙”,把路给挡住了。

这就尴尬了,他们挡住了路,后面的 “情侣”们就过不来了。

这时候,右边的 N 型半导体中的一些自由电子因为和空穴结合,相当于失去了一些电子,因此整体呈现正电

左边的 P 型半导体中的一些空穴因为和自由电子结合,相当于失去了一些空穴,因此整体呈负电

如此一来,两边就形成了一个电场,方向是从 N 型到 P 型,这个电场叫 “内建电场”

中学物理课本说道:电子受力方向和电场方向相反。

因此这个内建电场形成后,N 区自由电子进入电场就会被弹出来,就像撞了墙一样,所以他们就到不了 P 区了。

不过呢,前面我们说了,P 区也是有少量自由电子的,他们的受力方向和电场方向是相同的,就可以在电场力的作用下,顺利漂到 N 区。

这个过程叫做 “载流子漂移”,他们飘到 N 区的过程,代表这个 PN 半导体可以通电,直到两边达到平衡。

而这个漂移运动的快慢,人们用 “电子迁移率”来表示。

注意,这些过程和上面 “人墙”的形成是动态同步进行的,人们把这种结构叫做 “PN 结”

说了这么多,PN 结的这些特性有什么用呢?当然有用了。

如果我们再 N 区施加负电压,P 区施加正电压,那么 PN 两边就会形成一个新的电场,反方向从 P 到 N。

这个新的电场会抵消内建电场,内建电场被抵消后,“人墙”就会慢慢变小,最后消失,两边的载流子就可以畅通无阻了,这个 PN 半导体就可以通电;

而如果我们在 N 区施加的是正电,P 区施加的是负电,那么新的电场就会和内建电场方向相同,“人墙”就会越来越宽,导致载流子再也无法漂移,半导体就断电了。

正是基于这通操作,人们制造了晶体管。晶体管是芯片的最小单位。

晶体管是什么?其实就是很小很小的开关,控制半导体通电和断电,通电代表 “1”, 断电代表 “0”,由此形成各种庞大复杂的二进制运算。

当然,晶体管的具体结构和知识要复杂得多,上面所说的知识基础原理,至于关于晶体管的更多内容,这里就不便深入了。

那么都是制造晶体管的原材料,第三代半导体比过去的硅这些先进在哪?

“更宽的禁带宽度”和 “更高的击穿电场”前面我们已经解释过了,更高的电子饱和速率,大家就可以理解为,用第三代半导体制造的晶体管,载流子漂移速度很高,他们的漂移速度高,晶体管完成通电和断电的速度就更快,这意味着他们的频率更高

第三代半导体不仅电子饱和速率高,电子迁移率高,这意味着载流子迁移的时候基本没什么阻碍,阻碍意味着什么,意味着功耗、发热,所以第三代半导体的功耗、发热也是很低的

至于更高的抗辐射能力,就比较好理解了。辐射可能对半导体产生不良影响,例如改变掺杂的程度、改变自由电子的运动,甚至引起半导体物理属性的改变等,因此更高的抗辐射能力可以带来更好的系统稳定性。

3、第三代半导体的优势和应用

上面说的是帮大家理解第三代半导体优势背后的原理。

如果大家不想看上面这些,IT之家也为大家总结了第三代半导体的主要优势,大家可以只记住这些:

  • 耐高温;

  • 耐高压;

  • 耐大电流;

  • 功率高;

  • 工作频率高;

  • 功耗小,发热低;

  • 抗辐射能力强。

就拿功率和频率来说,第一代半导体材料的代表硅,功率在 100W 左右,但是频率只有大约 3GHz;第二代的代表砷化镓,功率不足 100W,但频率却能达到 100GHz。因此前两代半导体材料更多是互为补充的关系。

而第三代半导体的代表氮化镓和碳化硅,功率可以在 1000W 以上,频率也可以接近 100GHz,优势非常明显,因此未来有可能是取代前两代半导体材料的存在。

不过,摆在氮化镓和碳化硅普及面前的问题也有不少,比如单晶生长时间长、技术门槛高、成本高、良率低等,这些问题还有待产业链不断去攻克。

第三代半导体的这些优势,很大程度上都得益于一点:它们相比前两代半导体具有更大的禁带宽度。甚至可以说,三代半导体之间的主要区分指标就是禁带宽度。

因为具有上面这些优势,第三点半导体材料可以满足现代电子科技对高温、高压、高功率、高频以及高辐射等恶劣环境的要求,因此可以在航空、航天、光伏、汽车制造、通讯、智能电网等前沿行业中有大规模应用。目前主要是制造功率半导体器件。

具体到氮化镓和碳化硅各自的应用,要先说一下芯片的基本结构,分为衬底、外延和器件结构

衬底就是芯片的底盘,外延就是衬底上的一层薄膜,器件结构就是表面画电路图的地方。

碳化硅的热导率高于氮化镓,且单晶生长成本比氮化镓低,所以目前碳化硅主要被用在第三代半导体芯片的衬底,或者在高压高可靠领域做外延,而氮化镓主要在高频领域做外延。

例如最近流行的氮化镓充电器,就是利用了氮化镓高频的属性,将充电器内部的元器件做小,才实现了高功率小体积。

氮化镓由于禁带宽度大、击穿电场高、化学性质稳定和抗辐射能力强等优点,经常被用来制造高温、高频、大功率微波器件

例如军工电子中的军事通讯、电子干扰、雷达等领域,其他方面则如通讯基站中的射频元件、功率器件等,能大大减小基站的质量、体积。

而碳化硅则是极限功率器件的理想材料。

例如它有一个重要应用是在新能源汽车中制造主驱逆变器、DC/DC 转换器、充电系统中的车载充电机和充电桩等,在这些领域中未来将大面积取代硅,此外,碳化硅在光伏、风电、高速列车等领域也有广泛应用。

总结起来,氮化镓主要应用于低压和高频领域,碳化硅主要应用于中高压领域。

二、中国第三代半导体产业现状

和传统的半导体一样,第三代半导体的产业链也包括上游的材料和设备,中游的芯片设计、制造和封测,下游的应用。不同在于,第三代半导体的区别主要在于材料,因此IT之家在讲解时也更侧重于从产业链上游层面来说明。

由于氮化镓和碳化硅是第三代半导体的主要材料,因此这一部分我们以这两种材料为线分开来讲。

1、碳化硅

碳化硅的生产步骤包括单晶生长、外延层生长以及器件制造,分别对应衬底、外延和器件。总体来说,碳化硅产业目前主要处于国外企业垄断的局面。

衬底方面,目前国际正在从 4 英寸向 6 英寸过渡,且已有 8 英寸导电型产品,而国内仍然以 4 英寸为主。

目前国际上碳化硅衬底核心企业包括美国 DowCorning、德国 SiCrystal、美国 II-VI、日本昭和电工等,他们占据碳化硅衬底的主要产能。

国内则以天科合达、山东天岳、同光晶体等公司为主,他们均能供应 3 英寸~ 6 英寸的单晶衬底。

外延方面,外延片企业主要以美国的 DowCorning、II-VI、Cree,日本的罗姆、三菱电机,德国的 Infineon 等为主。国内瀚天天成、东莞天域已能提供 4 寸 / 6 寸的碳化硅外延片。

器件方面,国际上 600~1700V SiC SBD、MOSFET 已经实现产业化,主流产品耐压水平在 1200V 以下,核心企业为 Infineon、Cree、罗姆、意法半导体等。

国内则主要有泰科天润、深圳基本半导体、中电科 55 所、上海瞻芯电子、三安光电等,覆盖碳化硅器件的设计、代工各个环节。其中泰科天润已经量产 SiC SBD,产品涵盖 600V/5A~50A、1200V/5A~50A 和 1700V/10A 系列。

总体来说,全球碳化硅的产业格局还是以美国、欧洲、日本为主,特别是美国,全球 70%-80% 的碳化硅产量都来自美国

中国在这个领域主要是后来者的姿态,不过国内碳化硅产业发展较快,并且产业链各个环节也比较完整,正在快速追赶国际领先的企业,如果持之以恒加大发展,未来能够自给的机会还是比较大的。

2、氮化镓

氮化镓和碳化硅的情况类似,目前产业也仍然被国外企业把持,国内企业的发展相对薄弱,且主要集中在军工方面。

和碳化硅一样,氮化镓也可以分为衬底、外延以及器件三个方面。

首先是衬底,目前国际上以 2~3 英寸为主,4 英寸较少,但也正在逐步商用。这个产业的市场主导是日本的住友电工,份额达到 90% 以上。国内像苏州纳维科技公司和有北大背景的东莞市中镓半导体科技公司,均已实现产业化。

外延方面,氮化镓的外延片主要有四种:硅基氮化镓、碳化硅基氮化镓、蓝宝石氮化镓和氮化镓基板的氮化镓。

这些外延片目前主要是日本的 NTT-AT、比利时的 EpiGaN 、英国的 IQE 、台湾嘉晶电子等在供应。

国内相关企业则主要是苏州晶湛、苏州能华和世纪金光,其中苏州晶湛 2014 年就已研发出 8 英寸硅基外延片,目前 150mm 的硅基氮化镓外延片的月产能达 1 万片。

氮化镓的器件分为射频器件和电力电子器件。在器件的设计方面,主要有美国的 EPC、MACOM、Transphom、Navitas,德国的 Dialog 等公司,国内有被中资收购的安谱隆(Ampleon)等。

设计生产一体的企业则包括住友电工和 Cree ,他们的市场占有率均超过 30%,其他还有 Qorvo 和 MACOM;

而中国方面则有苏州能讯、英诺赛科、江苏能华等,其中苏州能讯去年已经建成 4 英寸氮化镓芯片产线,设计产能为 17000 片 4 英寸氮化镓晶圆。

负责代工的公司则以美国环宇通讯半导体(GCS)、稳懋半导体、日本富士通、Cree、台湾嘉晶电子、台积电、欧洲联合微波半导体公司(UMS)等为主导,中国的三安集成和海威华芯也已取得了一定的市场成果。其中三安集成在 2018 年末的氮化镓芯片产能可达到 100 片 / 月。

尽管总体来说我国在氮化镓的上游材料、制造方面仍然落后于国际先进水平,但是它的商业化进程才刚刚起步,氮化镓的市场需求将持续高速增加,留给中国的机会和时间也还是有的。

总结

首先我们需要确认,第三代半导体材料在未来半导体行业的地位将至关重要,理由如下:

1、第一第二代半导体瓶颈明显,难以适应新兴产业的发展需求。第三代半导体材料具有取代前两代半导体材料的潜质,成为未来半导体材料的主流。

2、5G 拉开万物互联的序幕,第三代半导体的核心应用功率半导体将会有爆发式增长,前景光明。

3、摩尔定律见顶,除了先进封装技术外,底层半导体材料的突破,也是突破摩尔定律的重要道路。

而对于中国来说,第三代半导体相比前两代半导体产业,机遇更大,赶超的机会也更大,原因如下:

1、中国是全球最大的半导体消费市场,且自给率不足 20%,拥有很大的国产替代空间。

2、当前第三代半导体主要应用的功率半导体领域对先进制程的要求并不高,这对于国内产业链的完善是一个机会。

3、中国新基建和消费电子市场需求庞大,将为第三代半导体产业的增长打开空间。

4、虽然目前中国在第三代半导体产业中的技术比较薄弱,但国内厂商在第三代半导体有全产业链的布局,有一定的自主可控能力。

当然,比上面这些更重要的是国家意志的推动。在美国限制措施越来越紧的背景下,先进半导体材料已上升至国家战略层面。国家在 2025 中国制造中提到,2025 要实现在 5G 通信、高效能源管理中的国产化率达到 50%;在新能源汽车、消费电子中实现规模应用。这些目标背后离不开第三代半导体的打底。

回到本文开头所说的,一条消息引起 A 股第三代半导体板块一飞冲天,资本市场也许少不了噱头和泡沫,但IT之家相信,中国制造业不断升级的大方向是不会变的。这条路上,第三代半导体产业无疑是一个时代红利,我们必须把握住。

参考

推荐阅读:

中国芯片新篇(一):华为,南泥湾,突围号角

中国芯片往事

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