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第三代半导体材料:国产企业奋起直追的最理想跳板

时间:2020/9/16 11:00:34浏览次数:129

第三代半导体随着近几年的快速发展,在投资热潮过后,逐渐有相应的产品进入到大众的生活里面。简单来说,第三代半导体是指以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、金刚石、氧化锌(ZnO)为代表的宽禁带半导体材料。与我们熟悉的传统第一代、第二代半导体材料硅(Si)和砷化镓(GaAs)相比,第三代半导体具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能,使其在光电器件、电力电子、射频微波器件、激光器和探测器件等方面展现出巨大的潜力,是世界各国半导体研究领域的热点。

 


在2020集微峰会上,西安电子科技大学微电子学院教授,博士生导师张进成在第三代半导体电子器件技术与产业发展现状和趋势的报告里面提到:“在中美贸易摩擦加剧和摩尔定律的背景下,底层材料尤其是第三代半导体材料的研发是给予了我国在半导体领域实现弯道超车的可能。” 相比我国与国外以摩尔定律引领发展的先进制程接近2-3代的巨大差距,未来在摩尔定律接近极限的前提下,发展新材料研发会是半导体行业突破之一,同时也会是我国弯道超车的好机会。

第三代半导体的优势何在? 

半导体材料其实已经历经了三代的发展,第一代是四五十年代开始以锗、硅为代表的IV族半导体材料,把人类带进电子晶体管收音机的时代,而第二代是从上世纪六七十年代开始,以III-V族半导体的发展开辟了光电和微波应用。 第三代半导体材料的出现最早是从八十年代开始,以碳化硅SiC、氮化镓GaN为代表,主导资源和能源节约,催生了新型照明、显示等新应用需求和产业。

实际第三代半导体材料已经出现了很长时间,一般情况下这些材料的真正应用都需要至少十年以上的培育期。氮化镓GaN和碳化硅同属于第三代半导体材料,除此之外,第三代半导体材料还包含ZnO,GaO氧化镓等。 

举一个例子,一个电子产品的核心部分有计算逻辑类器件(如CPU、GPU),也会有存储部分(RAM、硬盘),此外还会有提供电力和控制的模块。电子产品里面的各类器件,它的基础材料基本都是以硅Si为主,而第三代半导体就是要为未来提供能够比硅Si材料更加优良的器件核心材料。 经历几十年的发展,硅材料的研究已经很成熟,而基于硅材料制造的器件在设计和开发也经历了几代的优化和更新,无可否认,硅材料的极限已经逐渐显现。

因此接下来半导体产业的发展,寻找比硅更加先进的材料会是关键。以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体具备优异的材料物理特性,为进一步提升电力电子器件的性能提供了更大的空间。 氮化镓为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能。简单来说,采用氮化镓制造的器件要比硅器件拥有更低的能耗,更高的效率。


 


随着硅器件逐渐接近其理论极限值,利用第三代半导体材料制造的器件要比硅Si和砷化镓GaAs的性能更好。西电张进成认为:“相比较硅材料,第三代半导体材料制造器件可以令其变得更小、更快、更可靠、更高效。不单减少器件的质量、体积和生命周期成本,同时允许设备在更高的温度、电压、频率下工作,达到节能的同时也可以实现更高的性能表现。”

5G射频带动氮化镓快速增长 

第三代半导体材料可以应用的范围非常广,家用电器、电力电子设备、新能源汽车、工业生产设备、高压直流输电设备、移动电话基站等系统中都具有广泛的应用前景。 不过从应用领域来看,其实际可以分为射频器件和功率器件两个类型,而随着新基建政策的落实和我国5G网络的大规模建设,5G射频的市场潜力将会十分巨大。 目前从市场前景来看,我国推进5G商业化的脚步越来越快,尤其是今年的5G网络布网计划更是惊人,明显国内基站的建设力度在逐步扩大,而国内需求也将远大于国外。 

根据计划,预计2020年5G新建基站有望达到80w座以上,其中大部分将以“宏基站为主,小基站为辅”的组网方式。5G商用宏基站将以64通道的大规模阵列天线为主,单基站PA(射频功率放大器)需求量接近200个,而基站功率放大器主要为LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)技术,但是LDMOS技术适用于低频段,在高频领域存在局限性。 西电张进成指出:“氮化镓GaN在功率密度上的优势使其芯片体积大大缩小,在5G此类高功率、高频率射频应用中,能够获得更高的带宽、更快的传输速率和更低的功耗。”


 

 
GaN将逐步取代LDMOS市场份额

“相同的性能下,GaN的射频芯片要比GaAs芯片面积降低10倍,比Si基LDMOS芯片面积降低7倍。”张进成补充。“LDMOS功率放大器的带宽会随着频率的增加而大幅减少,仅在不超过3.5GHz的频率范围内有效,相比之下,GaN 射频器件更能有效满足高功率、高通信频段和高效率等要求。”

在5G时代对于射频器件高频高速的要求下,氮化镓GaN的射频器件迎来了机遇,其将会成为主流,并且会进一步压缩LDMOS的市场空间。据了解,GaN 能较好的适用于大规模 MIMO(多发多收 Multi InputMulti Output)通道。为了充分利用空间资源,提高频谱效率和功率效率,通过在基站侧安装几百上千根天线,实现大量天线同时收发数据。


 


目前5G布网采用“宏基站为主,小基站为辅”的组网方式,是网络广深覆盖的重要途径。除却宏基站外,小型和微型基站也是5G网络的重要组成部分。事实上由于5G主要采用3.5G及以上的频段,在室外场景下覆盖范围更小,受建筑物等阻挡,信号衰减更加明显,宏基站布设成本较高。此外宏基站占用面积较大,布设选址的难度高,因此5G网络的建设充分利用小基站布设简单快速的特性,令其跟宏基站配合组网,这是实现成本和网络最优的方案。 

随着5G网络建设如火如荼进行,含有GaN的基站射频PA实现爆发式增长机会很大。目前我国5G宏基站使用的PA数量在2019年达到1843.2万个,2020年有望达到7372.8万个,同比增长有望达到4倍。预计今年,基于GaN工艺的基站PA占比将由去年的50%达到58%。加上在目前国际环境承压下,国内通信设备厂商龙头华为和中兴等相信也会加大基站PA的自研力度和对国内厂商的采购规模。这对于整个5G射频器件相关的公司均会受益。根据Yole的预计,2023年GaN RF在基站中的市场规模将达到5.2亿美元,年复合增长率达到22.8%。未来随着GaN技术进步和规模化发展,GaN PA渗透率有望不断提升,预计到2023年市场渗透率将超过85%。

弯道超车,机会已来? 

在目前中美贸易摩擦加剧的环境下,美国对华为为首的中国科技公司的制裁力度越来越大,限制美国技术、软件、材料等方面的围剿。显然在摩尔定律下的先进制程技术,我国与国外的差距至少存在2-3代的水平,加上现在遭遇美国方面的技术封锁,要想在这条道路上实现快速追赶,基本是不可能。实际业内大部分人均认为,传统的硅晶体在6nm制程已经接近其性能的极限。时至今天,以摩尔定律作为根基的硅材料发展已经遭遇瓶颈,世界上目前能量产7nm的晶圆厂也只有台积电和三星两家,5nm为台积电,而对于5nm以下更先进制程的探索和研究也确实只剩下台积电和三星两大玩家,诸如英特尔、格芯等厂商基本是退出了对更先进制程的研发。这说明单一追求制程精度的方式在当下是不可无限延续下去的,一方面需要投入巨大的研发资金,制程精度的提升将会越来越困难,另一方面制程精度的提升带来的性能提升相比以往要减少很多。 

“摩尔定律”核心内容:价格维持不变时,集成电路上可容纳的元件数目,约每隔 18-24 个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。显然硅材料时代的摩尔定律发展已经走到极限,如果要半导体继续遵循摩尔定律发展,底层材料的突破变得尤为重要。美国、欧盟、日韩等国家和地区组织已经通过制定研发项目的方式来引导产业发展,它们认为突破的手段主要有两种,一是通过底层材料突破,第三代半导体材料是关键,除了氮化镓、砷化镓之外,碳化硅也是重要的方向;二是采用SIP等高密度封装方式,在一定时间里面满足性能提升的需求。

国内半导体产业不断响起国产替代和自主可控的声音,而第三代半导体的兴起会是当中重要的出路,似乎给了我们一个可以在半导体领域实现弯道超车的机会。一方面目前已经进入第三代半导体产业的最佳发展窗口期,虽然国外包括美国、日本、欧盟等均已经开展相关研究和应用,但是国际半导体产业和设备等巨头还没完全形成产业、专利、标准、生态等垄断,窗口期至少有3年左右的时间。

另一方面LED发展令我国具备了第三代半导体,特别是氮化镓的产业基础,不但有一定的技术和产业的积累,同时中国在制造设备、产业链配套、人才队伍的建设上都有不俗的基础。

虽然我们在微电子制造方面离世界水平还有一段距离,但三代半功率器件恰恰是用的是6英寸、8英寸线的工艺。可以使用落后工艺尺寸实现先进器件性能。”这会为我们第三代半导体的产业发展解决制造方面的难题,并不会如同手机等电子产品芯片的制造被卡脖子。

最后一点便是中国依然有着全世界最为广阔强大的市场拉力,多元的需求能为第三大半导体的未来发展注入动力。目前我国已开始全球最大、最复杂、发展最快的能源互联网建设,已建和在建全球最高运营速度、最长运营里程、最佳效益的高速轨道交通,并正在发展全球增长最快的新能源汽车,全球最大规模的5G移动通信,以及全球产能最大、市场最大的半导体照明产业。所有上述应用都需要第三代半导体材料和器件的支撑。

有人粗略算了一下,如果按照产业的市场拉动来计算,第三代半导体在射频器件和功率器件两大领域的市场规模会到达接近5000-10000亿美元。在国外承压技术封锁的外部环境下,国家一系列的半导体发展政策,加上国内原有的技术产业积累,相信入局第三代半导体产业的厂商必然会能创造出自己的一片天地,带领我国半导体实现弯道超车,成功的机会很大。