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中国宽禁带功率器件如何“配齐”

2018年下半年,随着英特尔酷睿X处理器和英特尔至强W-3175X处理器陆续投入市场,“英特尔处理器缺货”情况得到缓解。随着产能的提升,市场需求得以满足,2019年第一季度服务器和PC出货量升高,同步带动了MOSFET等功率半导体的市场需求。在市场机遇打开的背景下,中国功率半导体厂商是否可以抓住机遇?

MOSFET需求反弹

大中、杰力、尼克森等厂商运营惨谈的局面或将被打破。2019年,英特尔处理器出货量提升,带动MOSFET市场需求,大中、杰力、尼克森等厂商提升投片量。去年下半年,高性能细分市场内,英特尔至强和英特尔酷睿处理器出现供不应求,抑制了笔记本电脑与服务器的出货量,进而导致MOSFET供应商大中、杰力、尼克森等厂商显卡库存过多,业绩并不理想。随后,英特尔首席财务官兼临时首席执行官Bob Swan在公开信中表示,2018年英特尔资本支出创较年初计划增加了约10亿美元,主要用于14nm生产基地,提高出货量,应对市场不断增长的需求。2018年11月,英特尔酷睿X系列处理器正式上市。同年12月,英特尔至强W-3175X处理器出货,缺货情况得以缓解,带动2019年第一季度服务器和笔记本电脑出货量回升。

专家指出,服务器和笔记本电脑出货量的提升将同步拉动MOSFET投片,供应商第一季度将维持较高的MOSFET投片量。一时间,MOSFET等功率器件再次回到热点话题。2018年,包括MOSFET在内的功率器件涨价严重,电容甚至涨幅十几倍,供不应求的产能促使很多中小型企业难以取得货源。“涨价”过后,整个功率器件市场重新洗牌,很多以MOSFET为元器件的小厂商逐一倒闭。

但是,功率器件市场需求依旧强劲。以MOSFET为例,科技企业的新宠——无线充电市场对MOSFET的需求强大,一个无线充电器中最多可使用6颗MOSFET管,再加上“低压电流”模式逐渐成为主导,功率器件更新换代的需求更胜往昔。英特尔公司高级副总裁、英特尔公司首席技术官兼英特尔研究院院长Mike Mayberry曾向记者表示,隧道场效应晶体管 (FET)和铁电体的相关研究很有前途,可以大幅提高功率性能。中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟发表的《宽禁带功率半导体发展路线图》中表示,在新一轮产业升级的背景下,发展MOSFET等功率器件将成为电力电子产业发展的重中之重。

产业化仍是难题

目前全球功率器件发展已经达到一定规模。美国、德国、日本、欧洲几家大公司的器件设计技术、芯片制造工艺、器件封装驱动技术陆续更新升级。与其相比,中国功率器件一直存在较大差距。但是随着宽禁带半导体的到来,全球碳化硅、氮化镓等技术和产业都尚未成熟,新兴市场在一定程度上给每个厂商同样的机遇,这或许是中国功率器件产业发展的机会。

近期,基本半导体公司正式发布国内首款拥有自主知识产权的工业级碳化硅MOSFET。基本半导体的工作人员向记者表示,基于硅、砷化镓半导体材料的功率器件受材料性能所限,正接近物理极限,产业发展进入瓶颈期。以碳化硅为代表的第三代半导体材料已进入爆发增长期。

根据Yolo公司的统计数据,预计到2020年,4英寸碳化硅晶圆的市场需求保持在10万片左右,单价将降低25%;6英寸碳化硅晶圆的市场需求将超过8万片。预计2020~2025年,4英寸碳化硅晶圆的单价每年下降10%左右,市场规模逐步从10万片市场减少到8万片,6英寸晶圆将从8万片增长到20万片;2025~2030年,4英寸晶圆逐渐退出市场,6英寸晶圆将增长至40万片。

尽管在宽禁带半导体领域存在发展机遇,但是中国企业与世界先进水平差距依旧较为明显。一位功率半导体的高级工程师向记者透漏,目前中国仍以4英寸技术为主,尚未实现6英寸的产业化,碳化硅和氮化镓的芯片制造还处于芯片工程样品阶段,尚不具备批量产业化能力。

“总体来看,我国碳化硅和氮化镓功率器件的产业化能力薄弱,高端芯片几乎全部依赖进口,高端材料和器件禁运、采购成本高、供货周期不稳定等问题仍非常突出。”该工程师对记者说。

重视标准和可靠性研究

在中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟发布的《宽禁带功率半导体发展路线图》中,记者发现,中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟将2020年定义为碳化硅功率器件6英寸晶圆的“零微管”时代,与其相对应的外延材料、器件以及模块都将逐步升级,达到自给率10%。专家表示,我国距离6英寸晶圆的“零微管”时代,在材料生长、器件结构、器件工艺以及器件模型等方面都还有大量科学问题尚需攻克。

首先是可靠性研究不深入的弊端。宽禁带功率器件作为新兴技术和产业,存在相当程度的沿用传统标准、可靠性研究不深入的弊端,严重制约了市场推广和产业化应用。中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟建议组织力量,开展符合宽禁带功率器件的标准和可靠性的研究,加快标准的制定和推广。此外,在开展国际视野下进行顶层设计和战略规划也是重要的一环。

相关人士表示,我国宽禁带功率器件产业的发展离不开国际上该领域的发展,其发展规律必须符合国际发展趋势,建议站在国际高科技产业的高度,对我国宽禁带半导体器件产业的发展进行科学的规划和合理的布局。

中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟建议,依托已有宽禁带半导体产业基础,加强科学规划,完善现有产业集聚区布局和配套产业链建设,推动垂直整合和横向合作,打造具备竞争力的产业集群。制定措施和优惠政策,推动企业实施更加积极自主的开放战略,鼓励企业坚持自主创新与“走出去”相结合,充分利用国际国内两种资源、两个市场,提高国际合作水平与质量,争取为该领域的国际发展做出积极的贡献。

来源:中国电子报

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