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第三代半導(dǎo)體來(lái)勢(shì)洶洶 前代材料將全面退賽？

集成電路系列報(bào)道②

◎本報(bào)記者 劉 艷

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

半導(dǎo)體行業(yè)中有“一代材料、一代技術(shù)、 一代產(chǎn)業(yè)”的說(shuō)法。

與一些人對(duì)“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(shù)充其量就是一紙PPT，無(wú)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(dǎo)體應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)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(guān)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(yīng)用為標(biāo)志，第三代半導(dǎo)體的“超級(jí)風(fēng)口”已呼嘯而至。

《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》已將推動(dòng)“碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展”寫入了“科技前沿領(lǐng)域攻關(guān)”部分。

化合物半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)迎來(lái)新風(fēng)貌

當(dāng)?shù)谝淮?、第二代半?dǎo)體材料工藝逐漸接近物理極限，有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)瓶頸的第三代半導(dǎo)體材料成為行業(yè)發(fā)展的寵兒。

事實(shí)上，國(guó)內(nèi)之所以將半導(dǎo)體材料以“代”來(lái)劃分，多少緣自于隨著半導(dǎo)體材料的大規(guī)模應(yīng)用而來(lái)的三次產(chǎn)業(yè)革命。

第一代半導(dǎo)體材料以硅(Si)為代表，其取代了笨重的電子管，推動(dòng)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(dǎo)體材料以砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)等為主，磷化銦半導(dǎo)體激光器是光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，砷化鎵高速器件更開拓了光纖及移動(dòng)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(dǎo)體材料則有效推動(dòng)著半導(dǎo)體照明、顯示、電力汽車等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

從半導(dǎo)體材料的三項(xiàng)重要參數(shù)看，第三代半導(dǎo)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(xué)性能)三項(xiàng)指標(biāo)上均強(qiáng)于硅材料器件。

其中，最引人注目的是第三代半導(dǎo)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(dǎo)電性能強(qiáng)、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(dǎo)體材料一代更比一代好。事實(shí)上，一、二、三代半導(dǎo)體材料各有其適合的應(yīng)用范疇，在未來(lái)很長(zhǎng)的時(shí)間中，這三代半導(dǎo)體材料還將共存。

雖然硅材料沒(méi)有那么牛的參數(shù)，但在可靠性和整體性能上，目前還沒(méi)有任何半導(dǎo)體材料可以和它抗衡。作為半導(dǎo)體行業(yè)人士心中的“終極半導(dǎo)體”，金剛石甚至連實(shí)驗(yàn)室都還沒(méi)走出。

但同時(shí)我們可以看到，隨著氮化鎵材料切入電源管理，化合物半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的風(fēng)貌迎來(lái)改變。

化合物半導(dǎo)體泛指各種不以硅為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料，通?？煞殖扇遄灏雽?dǎo)體與二六族半導(dǎo)體。

三五族半導(dǎo)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(dǎo)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(shè)備都需要電源管理，當(dāng)?shù)壡瞄_電源管理這個(gè)龐大市場(chǎng)的大門，化合物半導(dǎo)體也開始展現(xiàn)出不容小覷的商業(yè)潛力。

第三代半導(dǎo)體尚待產(chǎn)品導(dǎo)入

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

然而，當(dāng)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(jià)率先全面采用碳化硅時(shí)，這種新材料在新能源汽車及配套領(lǐng)域的應(yīng)用潛力就得到了驗(yàn)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(wèn)題還待解決，但第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用之門已經(jīng)拉開了一條縫。

阿里巴巴達(dá)摩院發(fā)布的2021十大科技趨勢(shì)將“第三代半導(dǎo)體迎來(lái)應(yīng)用大爆發(fā)”列在首位。

達(dá)摩院認(rèn)為，未來(lái)五年，第三代半導(dǎo)體材料將在材料生長(zhǎng)、器件制備等技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，基于第三代半導(dǎo)體材料的電子器件將廣泛應(yīng)用于5G基站、新能源汽車、特高壓、數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)景，大幅降低整體能耗。

可以預(yù)見(jiàn)的是，隨著5G、新能源汽車等市場(chǎng)對(duì)第三代半導(dǎo)體的需求擴(kuò)大，以及制備技術(shù)特別是大尺寸材料生長(zhǎng)技術(shù)不斷獲得突破，第三代半導(dǎo)體的性價(jià)比也將得到提升。

第三代半導(dǎo)體在高溫、強(qiáng)輻射、大功率等特殊場(chǎng)景中的優(yōu)勢(shì)顯著。但在可預(yù)見(jiàn)的功率器件等第三代半導(dǎo)體最有潛力的市場(chǎng)中，硅材料目前仍占主導(dǎo)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(dǎo)體，并不是件容易的事。

第三代半導(dǎo)體的難點(diǎn)不在設(shè)備和邏輯電路設(shè)計(jì)，要走向規(guī)模商用，如何有效降低襯底價(jià)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(dǎo)體領(lǐng)域，相關(guān)企業(yè)還需努力。

在達(dá)摩院十大科技趨勢(shì)項(xiàng)目組專家看來(lái)，第三代半導(dǎo)體要走向規(guī)?；?、商用化，有些必要條件還需滿足。

比如，細(xì)分領(lǐng)域的代際優(yōu)勢(shì)獲得市場(chǎng)進(jìn)一步驗(yàn)證，元器件可靠性能夠滿足整機(jī)廠商對(duì)消費(fèi)端及工業(yè)端的差異化需求，應(yīng)用端利潤(rùn)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(dǎo)體器件與電路的專業(yè)工程師群體的成長(zhǎng)。

不能錯(cuò)過(guò)新一列半導(dǎo)體列車

和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)相比，半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)的規(guī)模小得多，但技術(shù)要求更高，是整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的根基。

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

半導(dǎo)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(xì)分子行業(yè)多達(dá)上百個(gè)，也潛藏著很多隱形冠軍。

在全球半導(dǎo)體材料供應(yīng)鏈中，日企占據(jù)主導(dǎo)地位。第三代半導(dǎo)體行業(yè)中，歐美日廠商三足鼎立，全球70%—80%的碳化硅市場(chǎng)由美國(guó)把控。

近年來(lái)，我國(guó)半導(dǎo)體廠商在設(shè)計(jì)、制造和封測(cè)三個(gè)半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，一些設(shè)計(jì)和封測(cè)廠商已進(jìn)入全球領(lǐng)先陣營(yíng)。

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

相比傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體動(dòng)輒高達(dá)千億級(jí)別的投資，第三代半導(dǎo)體投資強(qiáng)度小，但戰(zhàn)略意義大，被產(chǎn)學(xué)研各界視為我國(guó)擺脫集成電路產(chǎn)業(yè)對(duì)外依賴，實(shí)現(xiàn)技術(shù)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(rèn)為，我國(guó)第三代半導(dǎo)體發(fā)展水平與國(guó)際先進(jìn)水平差距不大，可以成為國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展突破口。

第三代半導(dǎo)體是科研領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，企業(yè)在集成電路和半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域也開始大規(guī)模投入。

但正如今年全國(guó)兩會(huì)期間全國(guó)政協(xié)委員王文銀表達(dá)的觀點(diǎn)，第三代半導(dǎo)體盈利釋放緩慢，應(yīng)該避免產(chǎn)業(yè)發(fā)展從一擁而上變?yōu)橐坏乩墙?，通過(guò)規(guī)劃引導(dǎo)將地方付出變?yōu)檎嬲漠a(chǎn)能。

人們期待第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)出現(xiàn)這樣一個(gè)群體——規(guī)模不必大卻擁有話語(yǔ)權(quán)及產(chǎn)業(yè)鏈把控能力，既能為常規(guī)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量運(yùn)行提供保障和支撐，也能在關(guān)鍵時(shí)刻發(fā)揮奇兵效應(yīng)。

原標(biāo)題：第三代半導(dǎo)體來(lái)勢(shì)洶洶 前代材料將全面退賽？