揭秘第三代半导体的“芯”天地

2018-02-09 09:51:57 来源: 北京商报

  如果把中国1/3的照明换成它,每年可节约一个三峡工程的发电量;用它存储数据,密度比普通存储高上千倍,且能耗更低;用它做成的器件,高功率、高密度,新能源汽车成本由此可大大降低。它,就是神奇的第三代半导体材料——碳化硅。

  2月1日,6英寸碳化硅器件生产线在开发区北京世纪金光半导体有限公司成功通线,这是我国首次实现从粉料、单晶到器件、模块以及终端行业应用的碳化硅全产业链贯通,从产业链源头实现了自主可控,为第三代半导体产业化、规模化打开了大门。

  揭秘第三代半导体

  什么是第三代半导体?对于大多数人来说,半导体一直是高精尖的代名词,但你可能不知道,半导体已经深入到了我们生活的方方面面,例如,照明、通讯、航空航天……

  上世纪五六十年代,硅和锗构成了第一代半导体材料,主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中。相比于锗半导体器件,硅材料制造的半导体器件耐高温和抗辐射性能较好。所以,到了上世纪60年代后期,95%以上的半导体、99%的集成电路都是用硅半导体材料制造的。直到现在,我们使用的半导体产品大多是基于硅材料的。

  进入上世纪90年代后,因信息高速公路和互联网的兴起,第二代半导体材料被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和GPS导航等领域。

  但经过几十年的发展,硅材料已接近完美晶体,对于硅材料的研究也非常透彻。基于硅材料上器件的设计和开发也经过了许多代的结构和工艺优化更新,正在逐渐接近硅材料的极限,基于硅材料的器件性能提高的潜力愈来愈小。

  与此相对的,各行各业对于半导体材料的需求反而越来越高。

  一个电子产品的核心部分有计算部分(比如CPU之类的)、存储部分(比如内存、硬盘之类的),还有就是提供电力输送和控制的模块,就是硅器件做的CPU和存储就如同人的大脑,电源和电池就好比是人的心脏。而功率器件就好比是人的血液和神经系统。一般情况下,前两代半导体的运行不会有任何问题,但是随着5G时代的到来和半导体材料运用领域的不断扩展,给予血液和神经系统的“压力”也随之增加,如果“压力过大”,血液和神经系统就有可能承受不住压力,造成“故障”。

  这时候,我们急需“抗压”能力更强的材料,三代半导体的机遇也随之而来。

  前两代半导体材料相比,第三代半导体材料具备高的热导率、高的电子饱和速率以及更高的抗辐射能力,可以在220度以上的高温环境工作,更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。

  好处还不止于此,用上碳化硅的第三代半导体技术的半导体照明,具有更高的光电转换效率。应用在高铁、新能源汽车上,可节能;应用在家电、工业电机上也可大幅节能;用在电网上,可以直接改变电网形态,大幅提高供电效率。它将在未来取代部分硅器件,为整个系统提供更加优良解决方案的核心材料。

  世纪金光全国领跑

  第三代半导体如此好,为何没能大面积应用呢?这有两部分原因,一部分原因是一些产业并不需要如此“抗压”的第三代半导体,基于成本和技术考虑,第一代、第二代半导体可能更加有市场。

  另一个原因,则是我们不得不面对的问题。一直以来,被发达国家列为“战略物资”和全球战略竞争新制高点的第三代半导体,国际上一直对我国实施技术封锁和禁运,长期制约我国半导体产业的发展。

  如何破解这一难题?早在2005年,北京世纪金光半导体有限公司董事长李百泉经过了长达一年的全球调研和思考之后,下定决心公司转型升级,全力开发第三代半导体材料,而且要做从碳化硅高纯粉料-单晶材料-外延材料-器件-功率模块制备全贯通性产业链,他的目的,就是希望我国第三代半导体能够避免受制于人,实现产业自主可控。截至2017年,世纪金光先后承担了国家各类科研项目、产业化项目60余项,在第三代半导体的核心重大关键技术上完成国内技术空白填补,实现全产业链贯通。

  即便如此,由于一些关键技术有很高的要求,我国第三代半导体材料的产业化发展缓慢。美国科锐公司在碳化硅技术上曾长期垄断国际市场。2011年,科锐公司发布了6英寸碳化硅晶体,而直到2015年,世纪金光公司才小批量产2英寸、3英寸、4英寸碳化硅晶体。2018年2月1日,世纪金光6英寸碳化硅器件生产线的贯通,意味着第三代半导体产业发展开始进入国际领先水平。

  “这个贯通意义重大,目前的4英寸晶片一般可以制备1600-2000颗芯片,而6英寸晶片可以让芯片的产出数量提高2.25倍,这意味我们在提高近3倍的产能供给的同时还可以降低成本,可以更好地满足如光伏逆变、新能源汽车等应用行业的需求。”世纪金光营销总监钟华介绍说。现在全国能够实现6英寸晶片的只有世纪金光和天科合达两家公司,而能实现从材料到器件全线贯通的就只有世纪金光。

  世纪金光不断发展单晶生产技术,以领先的技术水平实现了内部缺陷的控制,目前6英寸单晶已经小批量试产。今年重点攻克8英寸。在器件方面,世纪金光攻克了碳化硅功率器件的关键技术,实现了高端器件和模块的开发能力,这些突破为第三代半导体的产业化奠定了坚实基础。

  世纪金光实现了从粉料、单晶到器件、模块以及终端行业应用的全产业链贯通,从源头解决了长期受制于人的局面。此次具有全球领先水平的6英寸碳化硅器件生产线顺利通线,正是印证了这一点。

  全产业链的贯通,意味着我们掌握第三代半导体的核心技术,能够实现产业链上中下游的快速响应、协同发展机制,解决了行业中相互封闭的弊端。世纪金光实现碳化硅全产业链贯通,意味着我国民用领域设备以及军事装备等高端产业可以完全使用自主可控的元器件,从产业链源头实现国产半导体的自主可控,与国际领先水平看齐,彻底摆脱国外限制。

  北京亦庄产业突围

  一家企业的发展,并不是最终目标,实现产业突围才是奋斗的最终目的。“选择在北京亦庄建立总部,除了北京有着很好的人力资源、政策之外,这里对于高精尖产业的支持是我们选择的重要原因。”钟华说。

  在开发区的支持下,世纪金光不仅实现了第三代半导体的产业化,而且与北汽新能源汽车实现了产业协同发展,作为新能源汽车协同创新联盟成员之一,世纪金光肩负着碳化硅功率器件在新能源汽车中应用的重任。由于新能源汽车有耐高温、可靠、高续航要求,碳化硅功率器件已成为新能源汽车电能转换过程中必不可少的元器件,目前世纪金光碳化硅器件已经在北汽新能源车型中批量实验。

  在新能源产业的应用,还只是众多应用领域的一个缩影,在第三代半导体的产业化上,世纪金光近年来做了不少尝试,在风电、航空航天领域的应用也取得了不小的成果,而这与开发区半导体产业的发展又一次“不谋而合”。

  作为国内重要的集成电路产业基地,北京亦庄已形成集制造、封测、装备、零部件及材料、设计企业在内的完备产业链,集成电路产业规模已经占到全市的1/2。对于发展电力电子及功率器件,开发区有着巨大的产业链基础,金风科技002202)、京运通601908)、北汽新能源等,发展第三代半导体产业基础优势凸显。比如,下游产业转型升级需求大,在照明、汽车、消费类电子、白色家电、光伏等下游应用领域,急需第三代半导体材料作为“加速器”,实现产品的功能拓展及轻量化、小型化,并提升产品能源利用效率以及可靠性。

  去年12月底,北京市出台的《北京市加快科技创新发展新材料产业的指导意见》指出,要加快关键战略材料研制,围绕新一代信息技术、新能源汽车、高端装备制造等高精尖产业的发展需求,加快碳化硅材料及器件、氮化镓材料及器件的开发并实现规模化制备。

  那么,开发区该如何抢占这一科技制高点?

  “开发区应该以需求端带动第三代半导体产业发展。”中商产业研究院半导体研究员林宝宜说,开发区应该积极鼓励应用端企业进入第三代半导体器件应用领域,提升产品的性能和市场竞争力;同时,引导企业积极满足未来的应用需求,进行前瞻性布局并开发面向新兴经济的下一代产品。林宝宜说,通过推动世纪金光等龙头企业着力攻克一批产业发展关键技术、应用技术难题,能够大大提升第三代半导体材料的应用,在国际竞争中抢占先机,推动整个开发区的第三代半导体技术和产业规模进入全国第一梯队。而事实也确实如此,世纪金光已经和区内众多企业开展合作,将在这里实现产业突围。

  十年造千亿产业集群

  面对如此广阔的市场,世纪金光制定了一个十年打造一个千亿级产业的目标。这一目标的实现,需要的则是竞争力和产能的双提升。早年,全球市场上碳化硅晶片价格十分昂贵,一片2英寸碳化硅晶片的国际市场价格曾高达500美元(2006年),但仍供不应求。高昂的原材料成本占碳化硅半导体器件价格的10%以上。“碳化硅晶片价格已成为第三代半导体产业发展的瓶颈,为了降低器件成本,下游产业对碳化硅单晶衬底提出了大尺寸的要求。”钟华告诉记者。

  碳化硅的原材料来自于碳和硅,来料不难,难的是粉末提纯合成和晶体生长。为此,世纪金光不断提升研发投入,目前世纪金光的300名员工中,70%是科研人员,在美国和法国设立了两个国际研发中心,为了和国际技术并轨,世纪金光还在北京设立了第三代半导体功率器件设计与验证工程试验室,该实验室去年被北京市授予市级工程实验室,也获得了众多海外科研专家的加盟。

  大量的研发投入换来了应得的成果,世纪金光通过新的晶体生长与晶片加工技术,提高了晶片的出片率,将生产成本降低了50%,并利用现有平台进行改造创新,实现了6英寸晶体生产的突破。这大大提高了世纪金光的市场竞争力。

  “我们不愁订单,今年的订单已经排到8月了。”钟华说,对于世纪金光来说,只要解决了产量,营收就会随之而来,现在华为、中瑞蓝科、中车等众多企业在和世纪金光商谈合作。

  三代半导体可以应用的领域可以分为射频器件和电力电子器件两类,世纪金光主要在电力电子器件上发力,各种新能源逆变器和辅助设备都需要应用,未来电动汽车的动力都要靠三代半导体的功率器件了,仅功率器件一项,每辆车就会增加大约300美元的需求。于此同时,随着5G时代的到来,一部手机可能就需要16颗PA(功率放大器)芯片,也需要更多的基站、大规模天线(MassiveMIMO)、滤波器等,这给第三代半导体带来发展机遇。还有一些航空航天、数据中心等领域的应用也将为第三代半导体带来不小的市场空间。

  2017年,世纪金光实现营收3个亿。而集成电路产业大基金的入资将使他们进入发展的快速路。今年,世纪金光将加速产业基地的布局,除了北京,在华东、华南、华中建设生产基地,进一步扩充产能。同时,世纪金光不仅能够提供元器件,还能提供解决方案,目前已经实现了对美国、日本等的出口。

  根据国际半导体设备与材料产业协会(SEMI)发布的报告,2018年是第三代半导体产业化准备的关键期,到2025年,随着5G技术的应用,第三代半导体器件在移动通讯、高效电能管理中国产化率占50%,LED通用照明市场占有率达到80%,核心器件国产化率达到95%,第三代半导体器件在新能源汽车领域实现规模应用,进而促进半导体产业跨越式的加速发展。

  未来,世纪金光将紧紧抓住机遇,在碳化硅和氮化镓领域继续向横向和纵深发展,用“钉钉子精神”瞄准一个产业不动摇,抓住行业大好发展机遇快速做大做强;同时重点加强培育具有国际竞争力的研发创新体系和人才梯队建设,加快科技成果的产业转化,孵化百亿级企业,形成千亿产业集群;在保持自身持续高速发展的同时,承担更多社会责任。本报记者张金萍王硕/文李烝/制图

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