进入 21 世纪以来,摩尔定律的失效大限日益临近,人工智能、5G、自动驾驶等新应用的兴起,对芯片性能提出了更高的要求,同时也推动了半导体制造工艺和新材料不断创新,工艺节点从 28nm 到 10nm 只经过了短短的五年,第三代半导体 GaN 和 SiC 的应用范围越来越广,据 Yole 预测,2021 年全球 SiC 市场规模将上涨到 5.5 亿美元,GaN 市场将达到 3 亿美元。

 

未来,半导体新材料和新工艺的发展前景如何?会在哪些领域发挥越来越重要的作用?业界如何克服 SiC 和 GaN 技术的发展瓶颈?

 

欢迎来到本期专题《超摩尔时代的半导体工艺、材料创新》,针对本次话题,与非网记者专访了罗姆半导体(北京)有限公司技术中心所长水原德健先生。

 

罗姆半导体(北京)有限公司技术中心所长水原德健先生

 

SiC 应用领域广阔,半导体厂商迎来新机遇

SiC 功率元器件的潜力非常巨大,罗姆长期从事 SiC 技术开发,应用领域非常广泛。水原德健看来,我们正在切身感受到 SiC 在各个领域逐渐得到真正的应用。例如,在太阳能发电功率调节器、EV 充电站、伺服电源等领域,SiC 功率元器件的应用案例在不断增加。并且,在电动汽车(EV)、插电式混动汽车的车载充电器、电机驱动用逆变器上也得到了真正的应用。相信这项技术今后也将在各类工业设备的电源等部件中发挥越来越重要的作用。

 

在这些领域中,需要半导体厂商提供能够充分发挥新材料性能的解决方案。罗姆作为综合性半导体厂商,不仅提供包含 SiC 功率元器件在内的新材料器件,还可以通过组合运用,以世界先进的 SiC(碳化硅)为中心的功率元器件技术、充分发挥其性能的控制 IC 和模块技术,提供电源解决方案,为汽车和工业设备领域的节能化、小型化作出贡献。

 

打造“全 SiC”功率模块和沟槽结构 SiC MOSFET

作为全球第三代半导体“SiC 产品”首屈一指的主导企业,罗姆具备一流的开发团队,完整的产品生产线,先进的器件仿真、特性分析、可靠性验证和应用研究实验室,在相关市场上更是拥有丰富的推广经验和应用实绩。

 

罗姆自 2010 年开始量产 SiC 功率元器件(SiC-SBD、SiC-MOSFET)以来,于世界首家量产“全 SiC”功率模块和沟槽结构 SiC MOSFET,不断进行着领先业界的技术开发。预计,2020 年罗姆将推出第 4 代 SiC MOSFET,相比上一代产品,第 4 代产品将通过降低通态电阻,使性能提升 2 倍,相关的开发正在有条不紊地进行。

 

水原德健表示,罗姆最大的优势是能够确保品质和稳定供给。在生产方面,罗姆采取的是全面涵盖 SiC/Si 元器件、晶圆及铸件生产制造各个环节的内部垂直统合型生产体制。因此可实现晶圆的稳定供应。对于元器件制造过程中发生的问题,我们能够分析其成因是晶圆内部的何种结晶缺陷,追溯到晶圆的生产阶段,采取有效的对策。相反地,在晶圆的结晶缺陷中,有一些并不会影响元器件的运行,忽略此类结晶缺陷能够让技术开发更加高效。

 

在推出 SiC 功率元器件之初,罗姆设想的主要用法是单纯地替换原有的 Si 元器件。可即便如此,几乎在所有情况下,SiC 功率元器件成功实现了电路性能的提升。但是,也确实出现了性能提升幅度小于预期的情况。充分激发潜在能力的应用技术,在那时尚未成熟。

 

但是,量产至今已有 9 年,客户方在高效应用方面的技术储备已经达到了一定的水平。为了加快高效应用的步伐,我们也相继推出了评估板、模拟用模型等配套产品。如今,以激发 SiC 元器件潜在能力的电路设计为前提,追求电力系统最大程度高效化、小型和轻量化的客户越来越多。

 

加大投资建厂,布局 SiC 大口径发展

目前,第三代半导体材料 SiC 和 GaN 在禁带宽度、击穿电场、抗辐射能力等方面表现优异,但是受到诸多因素的影响,发展速度不是很快,业界厂商都在努力进行技术研发,提升 SiC 和 GaN 的市场发展速度。

 

SiC 功率元器件已经在各个领域开始被采用,在汽车领域需求更加旺盛。针对今后的需求激增,罗姆已经先行推进设备投资,预计在 2025 年之前,罗姆会在 SiC 元器件领域累计投资 600 亿日元,由此实现 16 倍于 2017 年的生产能力飙升。水原德健还表示,“2020 年罗姆将在建有 SiC 元器件主力工厂的福冈县筑后市,时隔 12 年后首次新建日本国内工厂,用于 SiC 的生产制造。罗姆从 2017 年就开始生产 6 英寸晶圆。在新工厂,我们将进一步布局大口径化发展。通过提前投入支持 8 英寸生产的设备,做好随时都能转入 8 英寸晶圆量产的准备。”

 

SiC 目前就是受制于价格和量产的问题,罗姆扩大投资增加产量,同时从 6 英寸转到 8 英寸,都有利于 SiC 生产成本的下降。

 

由于第三代半导体材料 SiC 和 GaN 的性能更有优势,一直被业界寄予厚望,甚至有人认为 SiC 和 GaN 会完全取代 Si 材料,但是罗姆并不认为作为新材料的 SiC 功率元器件和 GaN 功率元器件要完全地替代 Si,而是应该使其在能够发挥各自特性的领域中得到合适的应用。

 

例如,SiC 非常适合用于 650V 以上的耐高压设备,为电动汽车的逆变器以及太阳能发电的功率调节器等这些耐高压设备的高效化和小型化做贡献。另外,GaN 的物理特性决定其在低耐压且高频的信号通信设备的电源部分应用比较广,主要有助于实现设备的小型化。

 

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