第三代半导体以及芯片的核心材料

 

什么是第三代半导体？

 

第三代半导体是以碳化硅SiC、氮化镓GaN为主的宽禁带半导体材料，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率、可承受大功率等特点。

一、二、三代半导体什么区别？

一、材料

第一代半导体材料，发明并实用于20世纪50年代，以硅（Si）、锗（Ge）为代表，特别是硅，构成了一切逻辑器件的基础。我们的CPU、GPU的算力，都离不开硅的功劳。第二代半导体材料，发明并实用于20世纪80年代，主要是指化合物半导体材料，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表。其中砷化镓在射频功放器件中扮演重要角色，磷化铟在光通信器件中应用广泛……而第三代半导体，发明并实用于本世纪初年，涌现出了碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）等具有宽禁带（Eg＞2.3eV）特性的新兴半导体材料，因此也被成为宽禁带半导体材料。

二、带隙

第一代半导体材料，属于间接带隙，窄带隙；第二代半导体材料，直接带隙，窄带隙；第三代半导体材料，宽禁带，全组分直接带隙。和传统半导体材料相比，更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。

三、应用

第一代半导体材料主要用于分立器件和芯片制造；第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，也是制作高性能微波、毫米波器件的优良材料，广泛应用在微波通信、光通信、卫星通信、光电器件、激光器和卫星导航等领域。第三代半导体材料广泛用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件，应用于半导体照明、5G通信、卫星通信、光通信、电力电子、航空航天等领域。第三代半导体材料已被认为是当今电子产业发展的新动力。以第三代半导体的典型代表碳化硅（SiC）为例，碳化硅具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高热导率等特点，使得其器件适用于高频高温的应用场景，相较于硅器件，碳化硅器件可以显著降低开关损耗。

因此，碳化硅可以制造高耐压、大功率的电力电子器件如MOSFET、IGBT、SBD等，用于智能电网、新能源汽车等行业。与硅元器件相比，氮化镓具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高的电子迁移率的特点，是超高频器件的极佳选择，适用于5G通信、微波射频等领域的应用。第三代半导体材料具有抗高温、高功率、高压、高频以及高辐射等特性，相比第一代硅基半导体可以降低50%以上的能量损失，同时使装备体积减小75%以上。第三代半导体属于后摩尔定律概念，制程和设备要求相对不高，难点在于第三代半导体材料的制备，同时在设计上要有优势。

第三代半导体现状

由于制造设备、制造工艺以及成本的劣势，多年来第三代半导体材料只是在小范围内应用，无法挑战硅基半导体的统治地位。目前碳化硅衬底技术相对简单，国内已实现4英寸量产，6英寸的研发也已经完成。氮化镓（GaN）制备技术仍有待提升，国内企业目前可以小批量生产2英寸衬底，具备了4英寸衬底生产能力，并开发出6英寸样品。

第三代半导体的机遇

在5G和新能源汽车等新市场需求的驱动下，第三代半导体材料有望迎来加速发展。硅基半导体的性能已无法完全满足5G和新能源汽车的需求，碳化硅和氮化镓等第三代半导体的优势被放大。另外，制备技术的进步使得碳化硅和氮化镓器件成本不断下降，碳化硅和氮化镓的性价比优势将充分显现。初步判断，第三代半导体未来的核心增长点将集中在碳化硅和氮化镓各自占优势的领域。

一、碳化硅（SiC）

常被用于功率器件，适用于600V下的高压场景，广泛应用于新能源汽车、充电桩、轨道交通、光伏、风电等电力电子领域。新能源汽车以及轨道交通两个领域复合增速较快，有望成为碳化硅市场快速增长的主要驱动力。

计到2023年，碳化硅功率器件的市场规模将超过15亿美元，年复合增长率为31%。

1.新能源汽车

在新能源汽车领域，碳化硅器件主要可以应用于功率控制单元、逆变器、车载充电器等方面。碳化硅功率器件轻量化、高效率、耐高温的特性有助于有效降低新能源汽车的成本。2018年特斯拉Model 3采用了意法半导体生产的碳化硅逆变器，是第一家在主逆变器中集成全碳化硅功率模块的车企。以Model 3搭载的碳化硅功率器件为例，其轻量化的特性节省了电动汽车内部空间，高效率的特性有效降低了电动汽车电池成本，耐高温的特性降低了对冷却系统的要求，节约了冷却成本。此外，近期新上市的比亚迪汉EV也搭载了比亚迪自主研发并制造的高性能SiC-MOSFET 控制模块。

2.轨道交通

在轨道交通领域，碳化硅器件主要应用于轨交牵引变流器，能大幅提升牵引变流装置的效率，符合轨道交通绿色化、小型化、轻量化的发展趋势。近日完成调试的苏州3号线0312号列车是国内首个基于碳化硅变流技术的牵引系统项目。采用完全的碳化硅半导体技术替代传统IGBT技术，在提高系统效率的同时降低了噪声，提升了乘客的舒适度。

二、氮化镓（GaN）

侧重高频性能，广泛应用于基站、雷达、工业、消费电子领域：1.5G基站氮化镓射频器件更能有效满足5G高功率、高通信频段的要求。5G基站以及快充两个领域复合增速较快，有望成为氮化镓市场快速增长的主要驱动力。基于氮化镓工艺的基站占比将由50%增至58%，带来大量氮化镓的新增需求。预计到2022年，氮化镓器件的市场规模将超过25亿美元，年复合增长率为17%。

2.快充

氮化镓具备导通电阻小、损耗低以及能源转换效率高等优点，由氮化镓制成的充电器还可以做到较小的体积。安卓端率先将氮化镓技术导入到快充领域，随着氮化镓生产成本迅速下降，氮化镓快充有望成为消费电子领域下一个杀手级应用。预计全球氮化镓功率半导体市场规模从2018年的873万美元增长到2024年的3.5亿美元，复合增长率达到85%。2019年9月，OPPO发布国内首款氮化镓充电器SuperVOOC 2.0，充电功率为65W；2020年2月，小米推出65W 氮化镓充电器，体积比小米笔记本充电器缩小48％，并且售价创下业内新低。随着氮化镓技术逐步提升，规模效应会带动成本越来越低，未来氮化镓充电器的渗透率会不断提升。中国三代半导体材料中和全球的差距一、中国以硅为代表的第一代半导体材料和国际一线水平差距最大1.生产设备几乎所有的晶圆代工厂都会用到美国公司的设备，2019年全球前5名芯片设备生产商3家来自美国；而中国的北方华创、中微半导体、上海微电子等中国优秀的芯片公司只是在刻蚀设备、清洗设备、***等部分细分领域实现突破，设备领域的国产化率还不到20%。

2.应用材料

美国已连续多年位列第一，我国的高端光刻胶几乎依赖进口，全球5大硅晶圆的供应商占据了高达92.8%的产能，美国、日本、韩国的公司具有垄断地位。

3.生产代工

2019年台积电市场占有率高达52%，韩国三星占了18%左右，中国最优秀的芯片制造公司中芯国际只占5%，且在制程上前面两个相差30年的差距。

二、中国以砷化镓为代表的第二代半导体材料已经有突破的迹象

1.砷化镓晶圆环节

据Strategy Analytics数据，2018年前四大砷化镓外延片厂商为IQE（英国）、全新光电（VPEC，台湾）、住友化学（Sumitomo Chemicals，日本）、英特磊（IntelliEPI，台湾），市场占有率分别为54%、25%、13%、6%。CR4高达98%。

2.砷化镓晶圆制造环节（Foundry+IDM）

台湾系代工厂为主流，稳懋（台湾）一家独大，占据了砷化镓晶圆代工市场71%的市场份额，其次为宏捷（台湾）与环宇（GCS，美国），分别为9%和8%。

3.砷化镓元器件

砷化镓元器件产品（PA为主），也是以欧美厂商为主，最大的是Skyworks（思佳讯），市场占有率为30.7%；其次为Qorvo（科沃，RFMD和TriQuint合并而成），市场份额为28%；第三名为Avago（安华高，博通收购）。

这三家都是美国企业。可见，在砷化镓三大产业链环节（晶圆、晶圆制造代工、核心元器件），目前都以欧美、日本和台湾厂商为主导。中国企业起步晚，在产业链中话语权不强。不过从三个环节来看，已经有突破的迹象。如华为就是将手机射频关键部件PA通过自己研发然后转单给三安光电代工的。

三、中国在以氮化镓和碳化硅为代表第三代半导体材料方面有追赶和超车的机会由于第三代半导体材料及应用产业发明并实用于本世纪初年，各国的研究和水平相差不远，国内产业界和专家认为第三代半导体材料成了我们摆脱集成电路（芯片）被动局面、实现芯片技术追赶和超车的良机。

就像汽车产业，中国就是利用发展新能源汽车的模式来拉近和美、欧、日系等汽车强国的距离的，并且在某些领域实现了弯道超车、换道超车的局面。三代半材料性能优异、未来应用广泛，如果从这方面赶超是存在机会的。中国三代半导体材料相关公司：

什么是芯片？

通俗点来说，芯片就是把一个电路所需的晶体管和其他器件制作在一块半导体上。通常情况下半导体所应用到的材料就是单晶硅(Monocrystalline Silicon)，如果要制造用于处理元宇宙数据的高性能芯片，那么单晶硅的纯度需要达到99.99999999999%以上。如图所示，芯片最初的材料便是这一块一块的单晶硅硅锭了。

 

生产芯片的原料——单晶硅硅锭

我们不可能在这么大的硅锭上制作芯片，于是晶圆厂将硅锭按照要求裁切成一个一个的圆片，图中那个大大的圆片便是我们说的晶圆(Wafer),而放大的部分里面包含着复杂的线路图，这些独立的结构单元称为chips，在某些场合下，芯片也指代chips。

 

晶圆以及圆上的chips

芯片的制造工艺

在半导体界有这么一种说法，“如果将制造核弹的难度设定为1，那么制造芯片的难度可能是100，制造高性能芯片的难度可能是10000。”

 

芯片制造流程

是不是已经被吓到了？注意，这还是一张简图，实际上芯片制造分为前道工艺和后道工艺，每一段工艺又分为几十甚至上百道工序，中间只要一个环节走不通，那都是半途而废。最后，为了让大家能看得清楚一些，笔者将上述的图再简化如下所示：

芯片制造简图

通过上述的图片，我们已经初步了解了制造一枚芯片的流程，芯片制造的困难不仅仅包括设备，同时也包括材料方面的问题。接下来，笔者分别介绍芯片制造中所用到的重要材料。

 

单晶硅，制备芯片结构的衬底

没有高纯度的单晶硅，就不要提芯片，更不用说构建一个元宇宙的虚拟世界了。作为地球上第二丰度的元素，硅广泛地存在于自然界当中。它成本低廉，温度稳定性好，穿透电流低，如此优异的性能使它代替锗，成为了半导体的主流材料。

单质硅主要有单晶、多晶以及非晶硅三类形态，后两种形态缺陷太多，若用于芯片制造，在加工过程中会引起基材的电学以及力学性能变差，因此只能用高纯的单晶硅作为芯片的基元材料。

硅单质的三种形态

然而自然界中别说单晶硅，就连硅单质也是不存在的，硅元素主要以硅酸盐以及硅的氧化物形式存在，想从原料中获取单晶硅并不是一个简单的过程，要经过西门子法提纯以及CZ法制备单晶硅两大步骤，这两大步骤具体包括：二氧化硅原料→金属硅→HCl提纯→氢气还原→多晶硅→熔融→拉制单晶硅→切片。

首先，利用焦炭，在1500℃的条件下，将二氧化硅原料还原成金属硅，此时的金属硅纯度仅仅为97%，具有杂质；随后，利用氯化氢(HCl)在300℃的低温下将金属硅变为三氯硅烷，而氯化氢也会将金属硅中的杂质溶解，由于杂质和三氯硅烷蒸汽压较大的差异，此时，杂质的氯化物会受热蒸发，硅的纯度得到进一步提高。

接下来，利用高纯度氢气将高纯度的三氯硅烷通入炉中，在1100℃的高温下，炉子内部的硅芯棒上会逐渐长出多晶硅晶体，此时多晶硅的纯度可达99.999999999%。

西门子法制备高纯多晶硅

最后一步便是利用多晶硅制备单晶硅，首先将多晶硅加热熔化，随后加入单晶硅的籽晶(Seed)，触碰多晶硅的熔体，此时界面处的硅便会沿着同一个晶面方向生长，通过调控合适的工艺参数，便可得到硅单晶棒。

CZ法制备单晶硅流程

单晶硅硅棒经过打磨，抛光，外延，切片等工艺，就形成晶圆了。别急，这只是做芯片的第一步。

 

光刻胶，转印芯片电路的媒介

当制备好的晶圆经过氧化处理后，便进入了芯片前道工艺的光刻工序，大家应该都知道***，如果将***比作芯片行业的引擎，那么光刻胶就是助推引擎的燃料。

光刻流程简图

光刻胶就是图中橙色的部分，也有人将其称为光阻剂。光刻胶分为正胶和负胶，正胶经过曝光后会溶解于显影液，负胶则是相反的。按照曝光光源的波长分类，光刻胶分为g线，i线，KrF，ArF以及EUV光刻胶，由左到右，光刻胶对应的曝光波长逐渐变短，先进的EUV光刻胶对应曝光波长只有13.5nm，可用于10nm以下的芯片制程，但目前EUV***只有荷兰ASML能制造。

光刻胶分类

光刻胶的组分一直是国外厂商的机密，很难通过逆向解析的手段还原。一般而言，光刻胶的组分包括光引发剂，树脂基体，单体以及助剂。当光刻胶经过紫外光照射后，发生一系列的物理化学变化，电路图形就从掩膜版上转移到光刻胶上面，经过刻蚀后，晶圆片上就形成了对应的图案。

光刻胶反应机理简图

我国目前28nm工艺制程使用的光刻胶为KrF型号，目前正在积极开发ArF型光刻胶，而更为高端的产品已经被美国与日本所垄断。

 

成膜，分隔芯片结构的骨架

经过刻蚀，我们已经得到了芯片的基本平面形貌，为了防止各个器件之间的干扰，同时赋予芯片三维结构，我们就需要薄膜（＜1μm）沉积工艺。

 

芯片薄膜沉积工艺

薄膜沉积工艺分为化学气相沉积（CVD）以及物理气相沉积（PVD）两种方式。

典型的CVD工艺是将晶圆（基底）暴露在一种或多种不同的前驱物下，在基底表面发生化学反应或化学分解来产生所需的沉积薄膜。CVD 的基本流程如图所示：

CVD基本流程

上述的流程包括反应物传输，先驱体反应，气体扩散，衬底吸附，CVD主要用在芯片的氮化层成膜。而PVD的方式包括蒸镀与溅射，主要用于芯片的金属层，目前多用离子溅射的方式成膜。离子溅射的基本原理是通过气体等离子轰击靶材，将靶材原子“打”出来，并使它沉积在衬底上成膜。

PVD基本流程

封装，连接芯片电路的外衣

封装属于后道工艺，但也是至关重要的一步。芯片封装是半导体开发的最后一个阶段，不仅仅是为了保护芯片的内部结构和提高芯片的性能，更是为芯片内部结构与外部电路建立了一道沟通的桥梁。

2.5D芯片封装工艺

芯片的封装材料主要包括封装基板、引线框架、键合丝、塑封料等四类材料。这四类材料的市场份额在芯片封装材料里占70%以上。

封装材料市场占有率

封装基板是芯片的内外承载和保护结构。对于高端芯片，会选择环氧树脂，聚苯醚树脂，聚酰亚胺树脂作为基板材料，相比于金属基板和陶瓷基板，有机基板具有密度小，生产成本低以及加工简单的优势。而引线框架则是连接内外电路的媒介，它需要较高的导电导热性能，一定的机械强度，良好的热匹配性能，同时环境稳定性要好。一般采用铜基引线框架材料。键合丝是芯片内部与引线框架的内引线，对于高端产品而言，要求化学稳定性和导电率更高，因此高端芯片一般采用键合金丝作为键合材料，但是缺点是成本过高，因此在一些较为低端的产品，一般用键合银丝以及键合铜丝。塑封料则是对芯片和引线架构起保护作用。塑封料有金属，陶瓷，高分子塑封料三种方式。相比于前两者，高分子环氧塑封具有低成本，小体积，低密度等优点，目前绝大多数的集成电路都采用高分子环氧塑封。

封装材料示意图

展望

在经过封装测试之后的其它工艺，一枚小小的芯片就这么诞生了。强大的算力是支持元宇宙运行的基础，根据半导体的摩尔定律：

集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能大约每两年翻一倍，同时价格下降为之前的一半。

但是随着芯片制成的不断缩小，甚至到现在网传的1.4nm，摩尔定律的适用性在面临挑战。那么，我们不禁要问，能否在原材料上有所突破呢？答案是肯定的，科学家们曾经说石墨烯是下一代芯片材料，但是石墨烯的量产与提纯又是一大问题。近期，科学家们发现二维二硫化钼这种新型半导体：

二硫化钼结构图

相比于单晶硅，它具有的优势：

1. 没有单晶硅表面的“悬挂键”，性能比单晶硅更稳定；
2. 很薄，单层的二硫化钼只有6.5埃的厚度，比现在的3nm制程小了5倍，芯片的制程可以进一步缩小，获得更高的算力；
3. 若能批产，可以减少芯片的制作流程。

但是，需要说明的是，作为一种二维材料，它与石墨烯一样很难稳定批产，这就需要材料学家进一步去探索新的制备工艺和新的合成方法了，希望那一天能够早日到来。