国产碳化硅芯片能实现“弯道超车”吗？

碳化硅具有高硬度、高脆性和低断裂韧性等物理特性,因此其在工艺设计上有很多难点。相较于第一代半导体——硅,碳化硅的硬度非常大,其材料硬度为9．5,仅次于金刚石。这就意味着碳化硅的切割难度非常大,在做刻蚀、沟槽等工艺流程时难度很大。在磨削加工时也很容易引起材料脆性断裂或产生严重表面损伤,影响加工的精度。如何攻克碳化硅技术难点对提高生产效率,减少成本有很大意义。

文︱郭紫文

图︱网络

近年来,随着国产化替代的呼声越来越高,第三代半导体也迎来了发展热潮。“十四五”规划将第三代半导体纳入国家集成电路行业发展的重点方向,给予国内半导体生态政策上的支持。国内半导体厂商纷纷加紧布局,试图抓住机遇,扩大影响力。

“基本半导体将继续吸纳优秀人才,加大研发投入,完善产品体系,加速产业链布局,推动国产碳化硅器件在各行业的广泛应用。基本半导体将以更积极的发展战略迈向新征程,全力打造行业领先的碳化硅IDM企业。”基本半导总经理和巍巍博士表示,基本半导体始终致力于推动碳化硅(SiC)半导体国产化替代,希望借助功率半导体技术升级出现的“弯道超车”机会努力发展,以创新驱动产业升级。

深圳基本半导体作为中国第三代半导体领军企业,拥有领先的碳化硅核心技术,涉及碳化硅功率器件的材料制备、芯片设计、晶圆制造、封装测试、驱动应用等全产业链,致力于碳化硅功率器件的研发和产业化。公司产品包括碳化硅肖特基二极管、碳化硅MOSFET、车规级全碳化硅功率模块、功率器件驱动器等,广泛应用于新能源汽车、轨道交通、5G基站建设、智能电网等领域。

第一代半导体材料硅在转换效率、开关频率和工作温度等方面都有一定局限性,无法达到更高的要求。材料本身的瓶颈让半导体行业不得不寻求新的材料以满足更高的性能需求,碳化硅渐渐显露出无法替代的优势。碳化硅属于第三代半导体材料,拥有禁带宽度大、热导率高、电子饱和迁移速率高和击穿电场高等物理特性,适用于高温、高压、高频和大功率器件等领域。据Yole预测,2019年到2025年碳化硅功率器件市场规模将达到2562亿美元,复合增长率高达30%。

图:2019-2025功率碳化硅市场预测

基本半导体技术营销副总监刘诚在接受探索科技(TechSugar)采访中提到,碳化硅具有高硬度、高脆性和低断裂韧性等物理特性,因此其在工艺设计上有很多难点。相较于第一代半导体——硅,碳化硅的硬度非常大,其材料硬度为9．5,仅次于金刚石。这就意味着碳化硅的切割难度非常大,在做刻蚀、沟槽等工艺流程时难度很大。在磨削加工时也很容易引起材料脆性断裂或产生严重表面损伤,影响加工的精度。如何攻克碳化硅技术难点对提高生产效率,减少成本有很大意义。这也是基本半导体一直以来的研发重点和方向。

随着5G、新能源汽车的不断发展,碳化硅功率器件的应用也愈加广泛。和燃油汽车相比,新能源汽车的核心部件从燃油发动机变成了电动机控制器。新能源汽车需求的体量很大,器件需求量持续增加,整个产业链投入增大,产品的迭代更新加速,碳化硅材料的应用推进了半导体功率器件井喷式发展。“在目前原材料比较紧缺的状态下,各个环节的工艺都很紧张,这点看来对整个行业的发展非常不利。但是对于国产半导体来说,这却是一个很好的机会。”刘诚在采访中表示。

基本半导体在深圳、北京、南京和日本均设有研发中心,拥有国际化的研发团队。在2020年,基本半导体也积极布局国内外生态,在深圳和南京均开工建设了第三代半导体产业基地,主要进行碳化硅外延片的工艺研发和制造。此外,位于日本的车规级碳化硅功率模块研发中心也已开始运营。基本半导体一直以来不断加强碳化硅器件的核心技术研发,拓展重点市场和制造基地建设,积极助力国内半导体行业发展。

国产的功率半导体一直以来都处于低谷,受众较少,很难走到舞台最前端。基于国内品牌长期以来的表现无法达到关键应用需求预期,业界对国产品牌信任度较低。然而近年来国内功率半导体产品的可靠性和可控性逐渐提高,国内功率半导体发展前景持续向好。

借由慕尼黑电子展的平台,基本半导体对未来市场走向做出积极展望。刘诚表示:“作为国产企业,我们首先要踏踏实实做事,把产品做扎实稳定了,然后再一步步去迭代更新。只要产品质量有保障,客户自然而然会使用我们的东西。这是一个相互的过程,但归根结底是要先把自己的产品做好。”