隨著微波射頻、高效功率電子和光電子等新需求的快速發(fā)展,寬禁帶半導(dǎo)體材料對(duì)推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要性日益凸顯。尤其是伴隨人工智能、新能源汽車、物聯(lián)網(wǎng)等新興領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展,以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體需求逐漸攀升,寬禁帶半導(dǎo)體在技術(shù)推進(jìn)、產(chǎn)品創(chuàng)新、行業(yè)布局上都迎來了新的變化。
在半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展中,寬禁帶(WBG)材料的出現(xiàn)將引領(lǐng)行業(yè)進(jìn)入到一場變革性的旅程。碳化硅和氮化鎵作為寬禁帶半導(dǎo)體的“門面”,具備寬禁帶、高導(dǎo)熱率、高擊穿場強(qiáng)、高飽和電子遷移率的物理特性,能耐高壓、高溫、高頻,滿足高效率、小型化和輕量化的場景要求。
在人工智能、新能源汽車、5G通信等應(yīng)用場景的帶動(dòng)下,碳化硅和氮化鎵成為當(dāng)下寬禁帶半導(dǎo)體材料領(lǐng)域最受產(chǎn)業(yè)關(guān)注的兩大“寵兒”,并不斷迎來新的進(jìn)展。
正在向AI數(shù)據(jù)中心“進(jìn)軍”
當(dāng)前,AI和新能源汽車正成為助推寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的兩大熱門應(yīng)用市場。在人工智能浪潮之下,寬禁帶半導(dǎo)體正在向AI數(shù)據(jù)中心“進(jìn)軍”。目前,AI對(duì)算力的需求持續(xù)高漲,除了不斷提高數(shù)據(jù)中心中的AI服務(wù)器性能,更需要注意的是如何應(yīng)對(duì)逐漸攀升的功耗。
數(shù)據(jù)顯示,到2050年,數(shù)據(jù)中心將成為能源消耗大戶,所使用的能源將占全球總消耗的14%。大型計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行所需的電能日益增加,需要更高功率、更高能效的電力電子設(shè)備去支撐。而給AI處理器供電最高效的選擇就是氮化鎵和碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體。宜普電源轉(zhuǎn)換公司首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Alex Lidow表示,為AI 處理器供電,需要將輸入的高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓,中間要經(jīng)過多個(gè)階段,把電壓從大約220伏一直降到0.5伏。
碳化硅通常用于高電壓場景。AI處理器供電第一階段的電壓轉(zhuǎn)換,即從220伏到48伏,既用到了碳化硅器件,也用到了氮化鎵器件。之后,將電壓從48伏降至0.5伏這個(gè)階段,則完全可以由氮化鎵完成。在AI數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域,碳化硅和氮化鎵都有自己的“舒適區(qū)”和降功耗的手段。其中,碳化硅具有極小的反向恢復(fù)損耗,主要應(yīng)用在AI服務(wù)器電源的PFC(功率因數(shù)校正)中。而氮化鎵開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗較低,主要應(yīng)用在服務(wù)器電源的PFC和高壓DC/DC(直流轉(zhuǎn)直流電源)部分。
目前,英飛凌、德州儀器、納微、瑞薩、宜普等領(lǐng)軍企業(yè)紛紛布局,將砝碼壓到AI數(shù)據(jù)中心。英飛凌正在關(guān)注可再生能源領(lǐng)域和AI數(shù)據(jù)中心等電氣化應(yīng)用的需求,并公布了新的AI數(shù)據(jù)中心電源路線圖。羅姆已確立150伏耐壓氮化鎵產(chǎn)品的量產(chǎn)體系,適用于基站、數(shù)據(jù)中心等工業(yè)設(shè)備和各種物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備的電源電路。納微則采用其GaNSafe和Gen-3 Fast碳化硅技術(shù),發(fā)布了最新的CRPS185 4.5kW AI數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源方案。
成為汽車創(chuàng)新升級(jí)的新引擎
在汽車領(lǐng)域,寬禁帶半導(dǎo)體已實(shí)現(xiàn)從研發(fā)到規(guī)模性量產(chǎn)的跨越,成為推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)的新引擎。業(yè)內(nèi)專家表示,未來車規(guī)級(jí)器件的標(biāo)配是6英寸碳化硅襯底和800伏MOS器件。電子器件效率的提升可以幫助解決汽車的續(xù)航問題。
在今年4月舉辦的2024北京國際汽車展覽會(huì)上,“含碳化硅量”成為新能源汽車比拼的一大指標(biāo)。數(shù)據(jù)顯示,寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用可以使新能源汽車電控系統(tǒng)體積重量減少80%,電能轉(zhuǎn)換效率提升20%。具體來看,當(dāng)前碳化硅功率器件已應(yīng)用于電動(dòng)汽車內(nèi)部的關(guān)鍵電力系統(tǒng),包括牽引逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器等。在IEEE國際寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)路線圖委員會(huì)主席Victor Veliadis看來,電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車或?qū)⒊蔀榇偈固蓟璐笠?guī)模商業(yè)化的“殺手級(jí)”應(yīng)用。
氮化鎵在節(jié)能提效方面的潛力也不容小覷。功率氮化鎵目前的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一便是電動(dòng)汽車市場,包括車載充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、牽引逆變器等。安世半導(dǎo)體副總裁Carlos Castro指出,氮化鎵擁有更高的效率、更高的功率密度和更低的系統(tǒng)成本。
與硅解決方案相比,碳化硅車載充電器將成本降低了約13%,而氮化鎵則將系統(tǒng)成本降低了24%。面向未來,氮化鎵功率器件將由低壓車載激光雷達(dá)應(yīng)用,逐步向需要更高電壓的主驅(qū)逆變器等應(yīng)用延伸。
碳化硅挺進(jìn)8英寸
隨著大型計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行所需的電能日益增加,全球?qū)Ω咝茈娮酉到y(tǒng)的需求不斷增長,碳化硅材料由此受到市場青睞。為提高碳化硅生產(chǎn)效率并降低成本,產(chǎn)業(yè)界正在大力推動(dòng)碳化硅晶圓從當(dāng)前主流的6英寸向8英寸升級(jí)。
業(yè)內(nèi)人士向記者指出,與6英寸相比,8英寸碳化硅的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在潛在成本、性能和參數(shù)均勻性等方面。以5×5毫米尺寸的芯片為例,一張8英寸晶圓實(shí)際能切出1080顆芯片,而一張6英寸只能做出576顆。
據(jù)測算,8英寸碳化硅量產(chǎn)之后能夠推動(dòng)器件最終成本降低,降幅預(yù)計(jì)可達(dá)30%,甚至更高。盡管碳化硅步入8英寸是大勢所趨,但其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程并非一蹴而就,在從6英寸向8英寸升級(jí)的過程中,襯底、晶圓、模塊封裝等諸多環(huán)節(jié)都面臨不同挑戰(zhàn)。其中,襯底端是產(chǎn)業(yè)鏈上最主要的挑戰(zhàn),例如,在制造8英寸晶錠時(shí)還存在問題,8英寸襯底切割目前也有一定的難度。
從全球范圍來看,碳化硅的生產(chǎn)主要集中在美國、歐洲和日本,但亞洲廠商也在積極投資碳化硅生產(chǎn)設(shè)施,以滿足本地市場需求。2024年以來,8英寸碳化硅賽道的競爭異常激烈,意法半導(dǎo)體、英飛凌、安森美、羅姆半導(dǎo)體、三安光電等全球產(chǎn)業(yè)鏈廠商頻頻傳來最新進(jìn)展。從8英寸線碳化硅的建線節(jié)奏來看,盡管建線周期可以壓縮到18個(gè)月,但量產(chǎn)的不確定性仍然很大,需要企業(yè)在追求速度的同時(shí),高度重視質(zhì)量控制和工藝穩(wěn)定性。
有業(yè)內(nèi)人士表示,預(yù)計(jì)從2026年至2027年開始,6英寸碳化硅產(chǎn)品都將被8英寸產(chǎn)品替代。博世半導(dǎo)體博世智能出行集團(tuán)中國區(qū)董事會(huì)高級(jí)執(zhí)行副總裁Norman Roth認(rèn)為,未來5年,碳化硅晶圓從6英寸向8英寸發(fā)展是大勢所趨。
氮化鎵生產(chǎn)能力提上議程
隨著技術(shù)升級(jí),氮化鎵半導(dǎo)體性能被進(jìn)一步開發(fā),其應(yīng)用場景已不再局限于快充等消費(fèi)電子市場。目前,各大氮化鎵廠商都在全力擴(kuò)大自身產(chǎn)能,以期在更多新興領(lǐng)域搶奪更多的市場份額,但這也意味著制造廠商需要更先進(jìn)的制造能力、更精密的設(shè)備和更好的材料,來保證產(chǎn)品良率和生產(chǎn)速度。
半導(dǎo)體行業(yè)專家指出,氮化鎵的生長和加工過程遠(yuǎn)比硅基半導(dǎo)體復(fù)雜得多,且由于氮化鎵晶體結(jié)構(gòu)的特殊性,往往需要使用藍(lán)寶石或者碳化硅作為襯底。這些過程中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題,都會(huì)導(dǎo)致成品率的大幅下降。此外,為滿足新一代氮化鎵的制造需求,制造設(shè)備在不斷地更新?lián)Q代,而具有更高精度和更好性能的新型設(shè)備價(jià)格不菲,給氮化鎵廠商帶來了巨大的資金壓力。這些挑戰(zhàn)不斷堆積,就會(huì)導(dǎo)致氮化鎵制造產(chǎn)線的建設(shè)時(shí)間越來越長。
鑒于擴(kuò)建產(chǎn)線耗時(shí)費(fèi)力成本高,越來越多的廠商開始選擇代工廠制造。當(dāng)下,很多代工廠商已觀察到氮化鎵市場的廣闊前景,并提前開始布局。其中,代工龍頭臺(tái)積電一直對(duì)氮化鎵產(chǎn)業(yè)保持關(guān)注。早在2020年,臺(tái)積電宣布與意法半導(dǎo)體合作加速氮化鎵制程的開發(fā)。此外,納微半導(dǎo)體、VisIC Technologies也先后與臺(tái)積電在氮化鎵方面展開合作。除了臺(tái)積電,格芯今年7月宣布收購Tagore Technology的功率氮化鎵技術(shù)及知識(shí)產(chǎn)權(quán)組合。
據(jù)悉,已經(jīng)有企業(yè)開始委托格芯生產(chǎn)氮化鎵的產(chǎn)品。還有像聯(lián)電、世界先進(jìn)、穩(wěn)懋半導(dǎo)體、三安集成、X-Fab等代工廠商均有氮化鎵的代工業(yè)務(wù)。專家表示,隨著各大代工廠商開始重視氮化鎵的生產(chǎn)能力,未來越來越多的氮化鎵廠商可能會(huì)尋求代工企業(yè)來生產(chǎn)一些產(chǎn)線造價(jià)過于昂貴的氮化鎵產(chǎn)品,這樣既節(jié)省了開支,又能更加專注于設(shè)計(jì),氮化鎵技術(shù)的發(fā)展將更加順暢。
作者丨楊鵬岳編輯丨諸玲珍美編丨馬利亞監(jiān)制丨連曉東