做光电子集成电路的开拓者——访陕西光电子先导院技术总监田力 | 智慧产品圈

原创 韩继国 2017-11-23
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  技术创新是推动产业发展的永恒动力。当前在科技强国的背景下,以碳化硅、氮化稼为代表的第三代宽禁带半导体材料凭借着其优异的特性得到了世界各国的高度重视。许多欧美国家都把发展碳化硅半导体技术列为国家战略,投入巨资支持发展。在我们国家的西部重镇、丝绸之路的起点西安,也有一只这样的队伍,把发展第三代半导体材料、振兴我国半导体产业为己任,这就是陕西光电子集成电路先导技术研究院。《智慧产品圈》最近采访了先导院技术总监田力先生,他向我们展现了先导院成立的初衷和想法,以及为发展我国第三代半导体新材料新技术的雄心大略。

  第三代半导体材料是这个产业的未来

  以碳化硅(SiC)、氮化稼(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料称为第三代半导体材料。和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有宽的禁带宽度、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,因而更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,通常也被称为宽禁带半导体材料(禁带宽度大于2.2ev),或高温半导体材料。

  此外,第三代半导体材料由于具有发光效率高、频率高等特点,从而在一些蓝、绿、紫光的发光二极管,半导体激光器等方面有着广泛的应用。这是源于这类宽禁带半导体材料由于其电子在能带之间的跃迁效率高,并且在跃迁时放出光子的能量高,因此具有较高的光发射效率,光子发射的频率也较高。

  从目前的第三代半导体材料和器件的研究来看,较为成熟的是碳化硅和氮化稼半导体材料,其中碳化硅技术最为成熟,而氧化锌、金刚石、氮化铝等宽禁带半导体材料的研究尚属起步阶段,相信随着研究的逐步深入,其应用前景也将十分广阔。

  碳化硅的优势:

  •   碳化硅 (SiC) 是一种由硅 (Si) 和碳 (C) 构成的化合物半导体材料, 不仅绝缘击穿场强是硅的10倍, 带隙是硅的3倍, 而且在器件制作时可以在较宽范围内控制必要的p型、n型, 所以被认为是一种超越硅极限的功率器件用材料。

  •   碳化硅材料本身具有低阻抗的特性, 以碳化硅取代硅可大幅减少芯片面积。

  •   碳化硅的高饱和电子速度使得碳化硅在高频操作环境有相当好的性能表现。相较于其他的功率组件, 碳化硅最大的一项优势则是导热系数(Thermal Conductivity)高, 使得碳化硅导热快散热佳搭配其高熔点的物理性质, 是碳化硅功率组件可以耐高温操作环境的原因之一。
图一、SiC优异的性能带来产品的小型化

  以SiC等为代表的第三代半导体材料,将被广泛应用于光电子器件、电力电子器件等领域,以其优异的半导体性能在各个现代工业领域发挥重要革新作用,应用前景和市场潜力巨大。

  例如,碳化硅电子组件应用于电力转换可大大提升转换效率。从发电厂传送电力至使用者端需经历过多次降压及交流直流电的转换, 若将过程中所使用的Si IGBT全数转换成碳化硅材料制作, 估计可减少约85%转换损失。碳化硅的诸多优势让其能在高温、高功率、高频的操作环境下正常发挥其组件性能并且是一项减少能量损耗的优良解决方案。

  在新能源领域, 碳化硅在电动车/混合动力车的应用可提高电池效率, 减轻重量,产生的废热较少,充电速度较快,以及延长驾驶里程。现在流行的特斯拉电动汽车电机采用三相交流异步电机, 使用了三块分立型功率芯片的功率板, 每一相的功率板包括4排, 每排7个塑封IGBT芯片, 共28个IGBT组成的高压驱动半桥, 所以三相驱动共包含3块这样的功率板, 共84个塑封IGBT芯片。从特斯拉Model3 已经开始采用意法和英飞凌的SiC元件产品。

  从目前研究来看,以SiC等为代表的第三代半导体材料,其优异的半导体性能在各个现代工业领域发挥重要革新作用,应用前景和市场潜力巨大。有媒体称它将引发一场类似于蒸汽机一样的产业革命:

  1、应用在高铁领域,可节能20%以上,并减小电力系统体积;

       2、应用在新能源汽车领域,可降低能耗20%;

       3、应用在家电领域,可节能50%;

  4、应用在风力发电领域,可提高效率20%;

  5应用在太阳能领域,可降低光电转换损失25%以上;

      6、应用在工业电机领域,可节能30%-50%;

      7、应用在超高压直流输送电和智能电网领域,可使电力损失降低60%,同时供电效率提高40%以上;

      8、应用在大数据领域,可帮助数据中心能耗大幅降低;

      9、应用在通信领域,可显著提高信号的传输效率和传输安全及稳定性;

     10、应用在航空航天领域,可使设备的损耗减小30%-50%,工作频率提高3倍,电感电容体积缩小3倍,散热器重量大幅降低。

  全球碳化硅功率组件供应链主导权还不在我们身上

        碳化硅虽然具备相当多的优势, 但因其稳定的化学性质 (耐酸碱、抗腐蚀)、仅次于钻石及B4C的机械性质(高硬度、高刚度)及高熔点, 对CMP及蚀刻制程形成了不小的挑战。目前碳化硅的设计、制造、垒晶及晶圆制造等专利技术大多由欧美日等先进国家所把持, 而全球碳化硅晶圆的市场几乎由美商Cree所主导, 其次是日系厂商ROHM旗下子公司 SiCrystal。


  全球碳化硅功率组件供应链可分为三个部分,由上游往下游依序为衬底 (Substrate)、垒晶 (Epi)、组件制造 (Device Processing) 。主导碳化硅功率组件的最大厂商为 Infineon及CREE,约略占市场的70%左右, 其中Infineon为本身有epi能力的IDM厂, CREE及ROHM则涵盖上中下游, 整合度最高业务内容最全面。

  碳化硅的实际市场需求, 2016年碳化硅 n-type衬底出货数量约为12万片, 产值约为55百万美元, 以PFC (power factor correction)、PV (Photovoltaic)及R&D的应用占全球95%以上, 其中PFC将近4成居首位, PV则约35%位居第二, 此两项应用支撑了碳化硅供应链的成长。

  碳化硅垒晶的部分2016年总产值约为53百万美元, PV的占比跃居第1位, 显示PV在垒晶端的外包需求相较于PFC更高, 反映出PV市场下游客户对于碳化硅的考虑是偏向成本导向, PFC的下游客户相对偏向产品功能导向。


图二、SiC器件生产分布(欧美日公司几乎囊括所有SiC市场)

      全球功率元器件市场中国占比四成但自产率不到1.5%

根据2015年海关统计的数据显示, 我国芯片消耗外汇2300亿美元, 远超石油进口额。2015年全球高功率元件市场规模已经达到1004亿人民币, 中国就占了将近四成, 达到392亿人民币, 这些元件几乎都来自海外企业,中国自产率不到1.5% (中车、比亞廸等) ,2016年全球高功率元件市场已经达到1050亿人民币, 中国佔有率已提高达48%。全球功率元件市场,2016年全球碳化硅功率组件整体市场规模约为160亿美元, 至2021年将成长逾200亿美元。


  再来看全球及中国市场现况功率组件市场产值各应用类别市占比情况,自2014年至2020年, PC & OE与消费性电子应用市场产值占比呈小幅降低, 主要是因PC市场需求逐年萎缩, 行动通讯装置价格逐年下滑。

  相对地, 在工业4.0概念与环保意识兴起下, 工业与车用电子应用的市场需求持续成长, 至于交通运输应用方面, 由于大众交通工具市场是利基型市场, 市场规模是属小量规模, 所以仅增长至约3%。

  至于能源应用方面, 再生能源一直是各国政府的政策目标, 对于太阳能、风力等储能装置等的需求相对地高, 其市占比则增长至约2%。

  各国都把发展第三代半导体材料立为国家战略

  由于第三代半导体材料具有非常显著的性能优势和巨大的产业带动作用,欧美日等发达国家和地区都把发展碳化硅半导体技术列入国家战略,投入巨资支持发展。

  2013年日本政府将碳化硅纳入了“首相战略”(76亿日圆, 直接向安倍首相汇报), 认为未来50%的节能要通过它来实现。在碳化硅领域设立了三个国家级产学研项目, 全力推进高效节能碳化硅器件的应用。

  2014年美国前总统奥巴马主导成立了美国的碳化硅产业联盟。以碳化硅半导体为代表的第三代宽禁带半导体获得联邦和地方政府的合力支持, 1.4亿美元的总支持额将用于提升美国在该新兴产业方面的国际竞争力。美国商务部预测: 中国清洁能源 (新) 市场到2020年将达到1000亿美元, 将需要大量的节能碳化硅大功率器件。

  高功率组件在《中国制造2025重点领域路线图》中规划的十大领域中占有重要地位。规划指出:“重点突破硅基IGBT、 MOSFET等先进的功率半导体器件芯片的技术瓶颈, 推进国产硅基器件的应用和产业发展; 推进碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等下一代功率半导体器件的研发和产业。”

  在《电力电子行业“十三五”发展指导意见》里也强调:“在新型电力电子器件方面, 要国家政策支持明确重点。支持的重点包括以下方面:在芯片产业化方面, 主要支持IGBT、MOSFET、FRD、功率集成电路设计、制造、封测和模块组装智能功率模块(IPM)”

  碳化硅的技术发展趋势以及应用产品的发展

  目前功率组件大部分是以Si制作, 市场上Si功率组件主要分为三大类: MOSFET、IGBT 及Thyristor IGCT, MOSFET大多应用在600V以下操作电压的环境, IGBT则是整合MOSFET和BJT的功率组件, 以及应用在600V以上操作电压的环境。

  SiC具备极佳的散热性,相当适合较高电压、高温的环境, 因此SiC有逐渐取代Si IGBT于高端产品的市场的趋势。GaN在散热性不如SiC,但GaN的性能仍比Si MOSFET来的有优势, 因此Si MOSFET于高端产品的市场逐渐受到GaN的侵蚀。


图三、GaN与SiC之边界划分


  目前碳化硅组件是以二极管为主力, 主要用于电源供应器、不断电系统(UPS)、混合及电动车、工业马达驱动、太阳能逆变器、风力涡轮、铁路牵引机等应用领域。

  2015年碳化硅晶体管产品开始进入市场, 更多厂商投入开发碳化硅晶体管产品市场。未来几年,碳化硅组建将会在以下主要领域取得爆发:


图四、高功率组件按电压应用分类

  PFC/电源供应器应用

  PFC是自2001年以来首次应用于SiC器件的应用, 该应用与SiC二极管完美匹配,因为它们几乎提供了零反向恢复电流,高电源转换效率,减少损失,较小体积的模块以及EMI噪声较小。SiC器件的市场机遇主要用于高端电信和伺服器和工业电源。


图五、碳化硅与硅的电源转换性能及体积对比

  光伏逆变器应用

  富士电机开发了采用SiC MOSFET和SiC二极管的升压电路的基于逆变器系统的功率调节子系统 (PCS)。通过采用用于升压电路的SiC器件, 增强电路功率损耗大大降低。 1MW PCS安装有12个83kW升压电路单元,产品于2014年8月发布。

图六、用于光伏发电的室内独立式1MW功率调节子系统

       碳化硅功率组件在充电桩的应用

       从充电电源模块而言, 分为整流、PFC、DCDC变压几个部分, 有1~2独立的控制器整流和变压部分, 如下图所示。以下蓝色的部分为SiC器件。SiC MOSFET同时实现Si元器件做不到的高速开关和低导通电阻, 即使在高温条件下也能显示优异的电气特性,可大幅降低开关损耗以及周边元器件的小型化。


  由于碳化硅功率器件较适合高频、高压和高温的工作环境,碳化硅功率器件对车载充电机而言是最佳的选择。


图七、碳化硅功率器件在充电桩的应用

  电动车与油电混合车充电器应用

  根据对电动汽车的充电方式, 充电桩可分为交流充电桩和直流充电桩两大类。直流充电桩具备直接给电池充电的能力, 以三相四线制的方式连接电网, 能够提供充足的电力, 输出的电压和电流调整范围大, 俗称“快充”。


图八、车载充电器拓扑 (3或7kW)


  预计2015年SiC装置市场总值将超过2亿美元, 2021年的预测将超过6亿美元, 2015- 2021年复合增长率达到20%。PFC /电源供应器市场仍然是主要的SiC应用,但PFC市场份额自2016年后逐渐下降, 而其他应用正在增长。

  充电桩是电动汽车行业的一大进步, 有利于电动汽车的进一步普及, 充电技术的 提升需要与电池技术共进。尤其是在中国市场上, 在中国促进第三代半导体在充电桩及新能源领域的应用及跨领域的协同创新下, 已有一些相关公司开展大功率碳化硅器件新型充电桩示范工程, 已能做到其电能转化效率高达96%, 提高了充电效率与缩短充电时间。

  陕西光电子先导院的历史重任

  陕西光电子集成电路先导技术研究院是由中科院西安光机所牵头发起,集创业投资与孵化为一体的光电子领域创新平台,是国内首家以光电子集成电路为发展方向,集该领域国家战略智库规划、国际前沿产业化技术研究、高端创新创业人才引进、创业投资与孵化为一体的创新机构。

  先导院设有光电子集成电路专向基金及123亩的重资产专业化支撑平台,实现技术、市场、资本、产业的密切结合。

  平台特色:

  •   国内首家针对“光电子”的投资与孵化平台。面向决定国家创新科技未来的光电子领域,打造专业化、定制化公共孵化平台,构建“政-产-学-研-资-用-孵”相结合的创新型机构。

  •   整合资源平台。整合光电子集成领域软硬件优势资源,搭建集该领域国家战略智库规划、国际前沿技术研究、高端创新创业人才引进、创业投资与`孵化为一体、“政-产-学-研-资-用-孵”相结合的创新型机构,打造开放共享的工艺平台,引进一批国际领军人才、培育一批具有核心竞争力的高科技企业。

  •   提供人才、技术、基金、装备等服务。探索硬科技+金融、硬科技+服务、硬科技+市场及硬科技+研究机构的混合所有制形式,采用产品经理式、一站式服务孵化体系,为创业团队提供专业人才、专业知识、专业技术、专业导师、专业基金、专业装备和专业孵化服务。

  平台投资方向:

  平台将投资光电子集成产业中具有成长潜力、拥有自主创新能力、高成长性的初创期、成长期企业:

  1、光电子集成电路领域的创业创新团队;

  2、III-V族化合物芯片、器件技术团队,如InP、GaN以及GaAs;

      3、Fabless芯片设计团队;

      4、MEMS领域的创业创新团队;


  5、芯片及相关行业制造类。

  结语

  最近国家层面一直在探寻科研成果转化新模式。电子信息产业部部长苗圩曾指出: 当前,我国已有的各类创新载体对于我国科技创新能力的提升发挥了重要作用。但是,由于这些载体在“技术产生-扩散-首次商业化-产业化”链条上衔接不畅,一些创新成果没有从实验室“跑出来”到市场上。这就使我国制造业领域的创新力量像散落的珍珠,未能穿成串成美丽的项链。 像陕西光电子先导院这样的高科技产业孵化平台也许是“串成项链”的途径之一,政府把钱交给企业,企业把钱投到科研单位,再加上自筹资金,联合创新。借助国家科技支持计划,在科研阶段就埋下产业化的种子,培育可长成大树的“幼苗”,这也许就是陕西光电子先导院创办的初衷吧!

  被采访者田力简历

  田力,1975年出生,祖籍陕西省渭南市。本科毕业于北京航空航天大学大学机电工程系,硕士毕业于西安微电子技术研究所,计算机体系结构专业。曾任英飞凌科技西安有限公司高级工程师,在此期间曾在新加坡、慕尼黑工作和学习。2011年加入西安微电子技术研究所,曾任副总师兼副部长。2017年加入陕西光电子集成电路先导技术研究院,任技术总监。工作期间曾提出一种可测性电路设计 “A test method of ATPG and MBIST cocurrent running”,协助单位完成多个集成电路专业的国家重大课题。



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