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站在“新基建”浪潮上的第三代半导体产业 (下)

站在“新基建”浪潮上的第三代半导体产业 (下)

[来源:祥峰投资]    [作者]    [日期:2020-05-13 08:50]    [热度:]

在上一期的站在“新基建”浪潮上的第三代半导体工业 (上) 中,咱们环绕“新基建”的中心资料——第三代半导体做了概述,对当下规模化商用最首要的氮化镓 (凯发3333k8GaN) 器材和碳化硅 (SiC) 器材加以解构。

在本次陈述的下篇,咱们将进一步概括总结第三代半导体芯片在工业链的各个环节 (衬底、外延、规划、制作、封装) 的关键技能,整理国内外首要厂商,并对本次序三代半导体工业研究陈述做以总结。

第三代半导体芯片工业链:衬底、外延、规划、制作、封装

GaN和SiC芯片的工业链与硅芯片相似,首要分为晶圆衬底、外延、规划、制作和封装等环节。

半导体芯片工业链

衬底

当时的GaN器材的常用衬底有以下4种:

  • Si衬底:半导体工业开展最老练衬底,运用最广,晶体质量高、尺度大、本钱低、易加工,价格便宜,现在GaN产品上运用的Si衬底根本是6英寸的,也有部分公司完成8英寸的商用。

  • 蓝宝石衬底(Al2O3):出产技能老练、器材质量、安稳性都较好,能够运用在高温成长过程中,机械强度高,易于处理和清洗,广泛运用于LED工业。

  • SiC衬底:依照晶体结构首要分4H-SiC和6H-SiC,4H-SiC为干流产品,依照功能首要分为半导电型和半绝缘型。硅片拉晶时和单晶种子巨细无关,可是SiC的单晶种子的尺度却直接决议了SiC的尺度,现在干流尺度是4-6英寸,8英寸衬底已由II-VI公司和Cree公司研制成功。半导电型SiC衬底以n型衬底为主,首要用于外延GaN基LED等光电子器材、SiC基电力电子器材等。半绝缘型SiC衬底首要用于外延制作GaN高功率射频器材。SiC衬底商场的首要供货商有美国Cree(Wolfspeed)、DowCorning、日本罗姆、美国II-VI、日本新日铁住金、瑞典Norstel(我国本钱收买)等。Cree公司的SiC衬底占有整个商场40%左右的比例,其次为Ⅱ-Ⅵ公司、日本ROHM,三者算计占有75%左右的商场比例,国内有山东天岳、天科合达等公司。6”半导电型衬底均价约为1200美元,6”衬底价格在4”衬底价格2倍以上。

  • GaN单晶衬底:干流产品以2~4英寸为主,6英寸乃至8英寸的也现已完成商用。GaN衬底首要由日本公司主导,日本住友电工的商场比例到达90%以上。我国现在已完成工业化的企业包含姑苏纳米所的姑苏纳维科技公司和北京大学的东莞市中镓半导体科技公司。

以下要点对三种衬底做详细分析。

SiC硅衬底 

90%以上的集成电路芯片是用硅片作为衬底制作出来的,整个信息工业便是建立在硅资料之上。

单晶硅制备流程:硅石(SiO2)> 工业硅(粗硅)> 高纯的多晶硅 > 硅单晶。

大尺度硅片是硅片未来开展的趋势,现在8英寸硅片首要用于出产功率半导体和微操控器,逻辑芯片和存储芯片则需求12英寸硅片。2018年12英寸硅片全球商场比例估计为68.9%,到2021年占比估计提高至71.2%。12英寸硅片首要被NAND和DRAM需求驱动,8英寸首要被轿车电子和工业运用对功率半导体需求驱动。长时间看12英寸和8英寸依然是商场的干流。

半导体硅片投入资金多,研制周期长,是技能壁垒和资金壁垒都极高的职业。现在全球硅片商场处于寡头独占局势。2018年全球半导体硅片职业出售额前五名企业的商场比例分别为:日本信越化学28%,日本SUMCO 25%,我国台湾举世晶圆14%,德国Siltronic13%,韩国SKSiltron9%,前五名的全球商场市占率挨近90%,商场集中度高。

资料来历:华经情报网,智研资讯,中港证券研究所

SiC衬底

现在成长碳化硅单晶最老练的办法是物理气相输运(PVT)法(进步法),又称改进的Lely法,其成长机理是在超越2000 ℃高温下将碳粉和硅粉进步分化成为Si原子、Si2C分子和SiC2分子等气相物质,在温度梯度的驱动下,这些气相物质将被输运到温度较低的碳化硅籽晶上构成碳化硅晶体。经过操控PVT的温场、气流等工艺参数能够成长特定的4H-SiC晶型。单晶棒再进行切开、抛光等工艺,制作成衬底片。

「高质量、大尺度的碳化硅单晶资料是碳化硅技能开展首要处理的问题,继续增大晶圆尺度、下降缺点密度(微管、位错、层错等)是其要点开展方向。」

* SiC质料部分处于高温中,温度大约在2400~2500摄氏度,碳化硅粉逐步分化或进步,发生Si和Si的碳化物混合蒸汽,并在温度梯度的唆使下向粘贴在坩埚低温区域的籽晶外表运送,使籽晶逐步成长为晶体。

GaN衬底

因为氮化镓资料自身熔点高,并且需求高压环境,很难选用熔融的结晶技能制作GaN衬底,现在首要在Al2O3蓝宝石衬底上成长氮化镓厚膜制作的GaN基板,然后经过剥离技能完成衬底和氮化镓厚膜的别离,别离后的氮化镓厚膜可作为外延用的衬底。这种基板曾经的干流是2英寸口径,现在呈现了4~6英寸的基板。长处是位错密度显着低,但价格贵重,因而约束了氮化镓厚膜衬底的运用。

氨气相法(或HVPE法):运用氨气相法需求1000℃以上的成长温度。因而,作为在高温氨气下特性依然安稳的基板,单晶蓝宝石(Al2O3)遭到重视。因为GaN与蓝宝石的化学性质(化学键)、热膨胀系数和晶格常数相差较大,在蓝宝石上成长的GaN晶体外表像磨砂玻璃相同粗糙。并且晶体缺点十分多,无法取得能够用于半导体元件的高质量GaN。1986年,名古屋大学工学部教授赤崎勇开发出了“低温堆积缓冲层技能”。该技能运用氮化铝(AlN)作为缓冲层进行堆积,能够在蓝宝石基板上成长晶体缺点少并且外表平整的GaN晶体。

GaN衬底出产工艺

*导入缓冲层进步晶体质量。在蓝宝石基板上直接成长GaN时,会零星地成长一些细小晶体,因而GaN晶体的外表比较粗糙(a)。经过在蓝宝石基板与GaN晶体之间设置“低温堆积缓冲层”,便可取得平整的GaN晶体(b)

外延

GaN外延

外延成长(Epitaxy),是指在原有半导体晶片之上成长出新的半导体晶体层的技能。首要用CVD(Chemical Vapor Deposition,化学气相堆积)设备,或许MBE(Molecular Beam Epitaxy,分子束外延)设备完成。原有的晶体称为衬底(substrate),成长出的新晶体层称为外延层。

「GaN衬底资料的本钱是约束GaN器材商业化运用的首要因素。」

因为GaN资料硬度高,熔点高级特性,衬底制作难度高,位错缺点密度较高导致良率低,技能进步缓慢。因而GaN晶圆的本钱依然居高不下

2005年2寸的GaN衬底片本钱2 万美元,现在GaN2寸衬底价格依然在3000美元水平。比照之下,4寸GaAs衬底本钱仅需100-200人民币

选用外延技能,能够将GaN成长在SiC、Si、蓝宝石、金刚石等其他资料衬底上,有用的处理GaN衬底资料的约束问题。GaN on SiC和 GaN on Si是未来的干流技能方向。

GaN on Si

GaN on Si:在Si基板衬底上制作GaN晶体,也能运用和在蓝宝石衬底上成长的低温堆积缓冲层技能,完成与蓝宝石基板上的GaN根本相同的晶体缺点密度(贯穿位错密度)。但因为Si基板衬底与GaN性质差异更大,在Si基板上制作时的难题更多的是热膨胀系数差导致的裂纹。GaN与Si的热膨胀系数差较大,因而在成长GaN后进行冷却时会发生十分大的应力,导致有裂纹发生。

GaN on Si外延成长上可选用多层结构避免裂纹:在GaN层与Si基板之间设置AlGaN/GaN多层结构的“形变操控技能”来避免裂纹。

现在完成了产品化的GaN功率元件大多是在口径6英寸的Si基板上制作,至少6英寸口径的基板现已处理了裂纹问题。想要进一步下降价格,就必须扩展口径。以比利时微电子研究中心(IMEC)为首,全球正在推动选用8英寸Si基板的GaN开发。日本英达公司已与Transphorm公司签订了GaN功率元件的前工序出产受托合同,将在日本英达的筑波事务所导入支撑8英寸基板出产的前工序出产线。

「国内英诺赛科也声称完成了8英寸GaN on Si外延成长。」

GaN-on-Si未来首要有两条开展途径:

第一是向大功率器材方向开展,经过体系级封装做成模块化产品。

第二是在中低功率范畴SoC化,集成更多被迫元件、射频驱动等。业界有厂商现已完成了驱动IC和GaN开关管的集成,进一步下降用户的运用门槛

现在干流的GaN技能厂商都在研制以Si为衬底的GaN的器材,提高外延质量,希望代替贵重的SiC衬底。


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