全球第三代半導(dǎo)體競爭即將進入火熱階段，誰能率先突破應(yīng)用瓶頸？

據(jù)韓媒ETnews消息，近日，韓國晶圓代工大廠東部高科（DB HiTek）聘請了一位來自安森美的功率半導(dǎo)體專家。

業(yè)內(nèi)人士透露，東部高科聘請了安森美半導(dǎo)體前技術(shù)開發(fā)高級總監(jiān)Ali Salih，并讓他負責氮化鎵（GaN）工藝開發(fā)。

Salih是一位功率半導(dǎo)體工藝開發(fā)人員，擁有約20年的行業(yè)經(jīng)驗，曾在電氣與電子工程師學會 (IEEE) 上發(fā)表過有關(guān)功率半導(dǎo)體的重要論文。東部高科聘請Salih是為了加快GaN業(yè)務(wù)的技術(shù)開發(fā)和商業(yè)化。

這項任命旨在加強第三代功率半導(dǎo)體業(yè)務(wù)的技術(shù)開發(fā)和商業(yè)化。功率半導(dǎo)體業(yè)務(wù)目前占東部高科半導(dǎo)體制造（代工）業(yè)務(wù)的很大一部分，該業(yè)務(wù)正在從硅（Si）擴展到GaN和碳化硅（SiC）材料，為此聘請該位具有相關(guān)技術(shù)開發(fā)經(jīng)驗的外部專家。

據(jù)悉，東部高科正努力確保第三代功率半導(dǎo)體的制作工藝達到可以建設(shè)生產(chǎn)線的水平。目前，公司正在考慮訂購GaN和SiC生產(chǎn)設(shè)備，為新建一條產(chǎn)線做準備。

東部高科計劃分別從Aprosemicon和SK Siltron的美國子公司SK Siltron CSS 采購GaN和SiC晶圓。根據(jù)市場需求，公司將確定初步生產(chǎn)規(guī)模，并于明年開始建設(shè)生產(chǎn)線。與SiC相比，GaN功率半導(dǎo)體的技術(shù)難度相對較低，預(yù)計將首先投入生產(chǎn)。

近來，東部高科有關(guān)加大SiC和GaN研發(fā)生產(chǎn)的消息不斷，從宣布進軍該領(lǐng)域，購置核心設(shè)備到引入相關(guān)人才，可以看到其進軍第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的決心。


韓國加大第三代半導(dǎo)體布局

韓企之中想要在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域大展拳腳的并不只有東部高科。三星此前也通過購置SiC/GaN設(shè)備和聘請擁有豐富經(jīng)驗的外部專家，來加速推進其第三代半導(dǎo)體代工業(yè)務(wù)。

韓國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在世界范圍來說都可以算得上高水準，但在以SiC為代表的第三代功率半導(dǎo)體市場中卻并沒有出現(xiàn)國際龍頭。

根據(jù)TrendForce集邦咨詢數(shù)據(jù)顯示，2022年SiC功率半導(dǎo)體主要廠商的市場份額占比TOP5分別是意法半導(dǎo)體（36.5%）、英飛凌（17.9%）、Wolfspeed（16.3%）、安森美（11.6%）、羅姆（8.1%），剩余廠商僅占9.6%。

在此背景下，近年來，韓國政府高度重視第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，制定了一系列政策和計劃來推動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。例如，韓國政府計劃在未來幾年內(nèi)向半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)投入數(shù)十億美元，以支持研發(fā)和擴大產(chǎn)能。

現(xiàn)今，有不少韓企已經(jīng)意識到第三代半導(dǎo)體的巨大市場，開始有意加強SiC/GaN產(chǎn)業(yè)的建設(shè)和升級。韓國的主要半導(dǎo)體企業(yè)，如三星和LX Semicon，都在積極投資第三代半導(dǎo)體技術(shù)。這些公司不僅在研發(fā)方面投入巨資，還在全球范圍內(nèi)尋求合作和收購，以加速技術(shù)進步和市場拓展。

此外，韓國本土還有現(xiàn)代、起亞、通用等國際知名車企，隨著世界汽車向電車發(fā)展，以SiC為代表的車載第三代功率半導(dǎo)體擁有廣闊的發(fā)揮空間。

除了東部高科和三星，還有一些與第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相關(guān)的韓企在國際上擁有一定知名度：生產(chǎn)襯底的SK Siltron、Scenic；制造SiC長晶設(shè)備的STI和生產(chǎn)功率器件的TRinno Technology、Yes Power Technics（現(xiàn)已更名為“SK Powertech”）。

韓國企業(yè)近來在SiC/GaN功率半導(dǎo)體領(lǐng)域持續(xù)加碼，想要在第三代半導(dǎo)體市場分得一杯羹，但這些企業(yè)能否在強者眾多的國際市場上擁有一席之地，還需要時間來驗證。

先進半導(dǎo)體材料已上升至國家戰(zhàn)略層面

2025年目標滲透率超過50%。底層材料與技術(shù)是半導(dǎo)體發(fā)展的基礎(chǔ)科學，在2025中國制造中，分別對第三代半導(dǎo)體單晶襯底、光電子器件/模塊、電力電子器件/模塊、射頻器件/模塊等細分領(lǐng)域做出了目標規(guī)劃。在任務(wù)目標中提到2025實現(xiàn)在5G通信、高效能源管理中的國產(chǎn)化率達到50%；在新能源汽車、消費電子中實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，在通用照明市場滲透率達到80%以上。

其他國家如，美、日、歐等國都在積極進行第三代半導(dǎo)體材料的戰(zhàn)略部署，其中的重點是SiC。作為電力電子器件，SiC在低壓領(lǐng)域如高端的白色家電、電動汽車等由于成本因素，逐漸失去了競爭力。但在高壓領(lǐng)域，如高速列車、風力發(fā)電以及智能電網(wǎng)等，SiC具有不可替代性的優(yōu)勢。

美國等發(fā)達國家為了搶占第三代半導(dǎo)體技術(shù)的戰(zhàn)略制高點，通過國家級創(chuàng)新中心、協(xié)同創(chuàng)新中心、聯(lián)合研發(fā)等形式，將企業(yè)、高校、研究機構(gòu)及相關(guān)政府部門等有機地聯(lián)合在一起，實現(xiàn)第三代半導(dǎo)體技術(shù)的加速進步，引領(lǐng)、加速并搶占全球第三代半導(dǎo)體市場。

例如，美國國家宇航局（NASA）、國防部先進研究計劃署（DARPA）等機構(gòu)通過研發(fā)資助、購買訂單等方式，開展SiC、GaN研發(fā)、生產(chǎn)與器件研制；韓國方面，在政府相關(guān)機構(gòu)主導(dǎo)下，重點圍繞高純SiC粉末制備、高純SiC多晶陶瓷、高質(zhì)量SiC單晶生長、高質(zhì)量SiC外延材料生長這4個方面，開展研發(fā)項目。在功率器件方面，韓國還啟動了功率電子的國家項目，重點圍繞Si基GaN和SiC。


行業(yè)競爭格局

從產(chǎn)業(yè)格局看，目前全球SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢。其中美國全球獨大，占有全球SiC產(chǎn)量的70%~80%，碳化硅晶圓市場CREE一家市占率高達6成之多；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，在全球電力電子市場擁有強大的話語權(quán)；日本是設(shè)備和模塊開發(fā)方面的絕對領(lǐng)先者。領(lǐng)先企業(yè)包括美國科銳（Cree）旗下的Wolfspeed、德國的SiCrystal、日本的羅姆（ROHM）、新日鐵等。

國內(nèi)目前已實現(xiàn)4英寸襯底的量產(chǎn)；同時山東天岳、天科合達、河北同光、中科節(jié)能均已完成6英寸襯底的研發(fā)；中電科裝備已成功研制出6英寸半絕緣襯底。

盡管全球碳化硅器件市場已經(jīng)初具規(guī)模，但是碳化硅功率器件領(lǐng)域仍然存在一些諸多共性問題亟待突破，比如碳化硅單晶和外延材料價格居高不下、材料缺陷問題仍未完全解決、碳化硅器件制造工藝難度較高、高壓碳化硅器件工藝不成熟、器件封裝不能滿足高頻高溫應(yīng)用需求等，全球碳化硅技術(shù)和產(chǎn)業(yè)距離成熟尚有一定的差距，在一定程度上制約了碳化硅器件市場擴大的步伐。


如何化解第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用痛點

整體而言，碳化硅、氮化鎵器件市場已經(jīng)初具規(guī)模，在功率和射頻應(yīng)用領(lǐng)域完成了對硅基半導(dǎo)體器件的初步替代。但由于材料制備技術(shù)、器件制造與封裝工藝、動靜態(tài)測試、驅(qū)動設(shè)計優(yōu)化以及可靠性等問題尚未完全解決，導(dǎo)致第三代半導(dǎo)體器件的性能大打折扣，無法完全發(fā)揮其材料本身的優(yōu)勢。關(guān)鍵技術(shù)不成熟、成本居高不下，第三代半導(dǎo)體器件自然難以實現(xiàn)更大規(guī)模的商業(yè)化落地。下面我們就從碳化硅、氮化鎵器件的應(yīng)用痛點出發(fā)，梳理一下國際大廠是如何攻克這些難題的。


優(yōu)化封裝技術(shù)突破開關(guān)性能限制

與硅功率半導(dǎo)體相比，碳化硅功率器件擁有更快的開關(guān)速度、更小尺寸和更低損耗，有望在諸多應(yīng)用中取代IGBT。然而受限于傳統(tǒng)封裝技術(shù)，碳化硅功率器件的性能優(yōu)勢難以完全得到發(fā)揮。傳統(tǒng)封裝形式通常采用TO-247N，柵極引腳和源極引腳的寄生電感將會與寄生電容發(fā)生振蕩，從而使MOSFET導(dǎo)通所需的柵極電壓降低，導(dǎo)通速度減慢。為此，一些廠商正在尋求更完善的封裝方案，以優(yōu)化器件性能，進一步挖掘碳化硅器件潛力。

貿(mào)澤電子在售的來自制造商ROHM Semiconductor的SCT3080KW7TL，是一款7引腳SiC功率MOSFET。SCT3080KW7TL采用了TO-263-7L表貼封裝，將電源源極與驅(qū)動器源極引腳分離開，可提供獨立于電源的驅(qū)動器源，有效消除了導(dǎo)通時源極電感對柵極電壓的影響。導(dǎo)通時，電流變化時間縮減，導(dǎo)通損耗降低；關(guān)斷時，寄生電感減少，關(guān)斷損耗也相應(yīng)降低。此外，SCT3080KW7TL專有的溝槽式柵極結(jié)構(gòu)將導(dǎo)通電阻降低了50%，輸入電容降低了35%。

具體來看，SCT3080KW7TL漏源極擊穿電壓為1.2kV，連續(xù)漏極電流為30A，具有很低的漏源導(dǎo)通電阻，數(shù)值為104mΩ。獨立式驅(qū)動器源極也讓SCT3080KW7TL驅(qū)動更加簡單便捷、易于并聯(lián)，有助于進一步降低應(yīng)用設(shè)備的功耗。在太陽能逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、開關(guān)電源、電機驅(qū)動等領(lǐng)域，SCT3080KW7TL已經(jīng)取得了廣泛應(yīng)用。

ROHM Semiconductor另一款也在貿(mào)澤有售的BM2SC121FP2-LBZE2，則是一款準諧振AC/DC轉(zhuǎn)換器IC。該芯片同樣采用了小型表貼封裝TO-263-7L，內(nèi)部集成了1700V耐壓SiC MOSFET及其柵極驅(qū)動電路。與Si-MOSFET相比，BM2SC121FP2-LBZE2將AC/DC轉(zhuǎn)換器控制IC、800V耐壓Si-MOSFET、齊納二極管、電阻器和散熱板集成在一個封裝內(nèi)，極大地削減了部件數(shù)量，在小型化方面極具競爭優(yōu)勢。同時，該芯片內(nèi)置了高精度過熱保護功能，實現(xiàn)了更高的可靠性能。

此外，BM2SC121FP2-LBZE2采用了電流檢測電阻作為外部器件，IC設(shè)計簡單且高度靈活。控制電路采用準諧振方式，運行噪聲低、效率高、可軟啟動，可充分降低EMI。整體而言，BM2SC121FP2-LBZE2為大功率逆變器、AC伺服等工業(yè)設(shè)備提供了低成本、小型化、高可靠性、高效率的AC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案。


調(diào)整驅(qū)動設(shè)計降低功率損耗

作為柵極電壓控制器件，MOSFET柵極驅(qū)動電壓的振蕩直接影響著元器件的可靠性，更甚至會造成電路故障或失效。MOSFET器件在轉(zhuǎn)換過程中，柵極與漏極之間的米勒電容將會誘發(fā)米勒振蕩，干擾柵源極電壓上升，從而延長了開關(guān)切換時間，導(dǎo)通損耗大幅增加，系統(tǒng)穩(wěn)定性也隨之降低。對于SiC MOSFET而言，其出色的開關(guān)速度和性能更是加劇了米勒導(dǎo)通效應(yīng)。因此，如何減少米勒電容、降低米勒效應(yīng)的影響，成為各大廠商迫切需要解決的難題。

對此，貿(mào)澤電子在售的來自STMicroelectronics的SCTH35N65G2V-7AG提供了一種效果顯著的解決方案。SCTH35N65G2V-7AG采用了STMicroelectronics第二代碳化硅MOSFET技術(shù)，具有極低的導(dǎo)通電阻和優(yōu)異的開關(guān)性能。該器件漏源極擊穿電壓為650V，漏源導(dǎo)通電阻最大67mΩ，柵極電荷和輸入電容極小，廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、DC/DC轉(zhuǎn)換器和工業(yè)電機控制等領(lǐng)域。

為了緩解米勒效應(yīng)，SCTH35N65G2V-7AG采用了有源米勒鉗位技術(shù)，在瞬態(tài)電壓額定值低于20V/ns時，有效地抑制了米勒振蕩，減少了開關(guān)的錯誤導(dǎo)通率，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。在較高瞬態(tài)電壓下，SCTH35N65G2V-7AG則通過在柵源極使用齊納保護限制振鈴，進一步優(yōu)化電路輸出波形。

此外，與傳統(tǒng)IGBT相比，在相同額定電壓和等效導(dǎo)通電阻下，SCTH35N65G2V-7AG表現(xiàn)出更加優(yōu)秀的耐高溫、低損耗性能，適用于高開關(guān)頻率應(yīng)用場景，可減小無源元件的尺寸。同時，SCTH35N65G2V-7AG的導(dǎo)通損耗與關(guān)斷損耗均不受結(jié)溫影響。溫度從25℃上升至175℃時，該器件的導(dǎo)通電阻變化率明顯低于競爭產(chǎn)品。

STMicroelectronics另一款貿(mào)澤在售的單柵極驅(qū)動器STGAP2SICSNTR為中高功率應(yīng)用提供了一個易于使用的驅(qū)動方案。該器件可在柵極驅(qū)動銅導(dǎo)與低壓控制接口電路間提供電流隔離，具備4A與軌到軌輸出能力。STGAP2SICSNTR提供了兩種不同的配置選項，第一配置具有獨立輸出引腳，通過使用專用的柵極電阻器獨立優(yōu)化導(dǎo)通和關(guān)斷。第二種配置則具備單輸出引腳和米勒鉗位功能，抑制了半橋拓撲結(jié)構(gòu)高速轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的柵極尖峰。總體而言，STGAP2SICSNTR為功率轉(zhuǎn)換和電機驅(qū)動器逆變器等工業(yè)應(yīng)用提供了高度靈活、成本低廉的設(shè)計方法。


總結(jié)

隨著新能源汽車、電力電網(wǎng)和5G通信等領(lǐng)域迅速發(fā)展，以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體憑借著其在高壓、高溫、高頻應(yīng)用中的優(yōu)勢，逐漸顯露出對硅基半導(dǎo)體的替代作用。然而受限于傳統(tǒng)封裝工藝、驅(qū)動設(shè)計等技術(shù)瓶頸，第三代半導(dǎo)體器件散熱、可靠性方面都面臨著新的難題和挑戰(zhàn)。