造芯片，換一種材料行不行：第三代半導體與碳化硅【汽車芯片】

芯片上的晶體管為什麼要用硅來製造? 換一種材料行不行? 哈囉大家好,我是講道理的芯片猛男三圈 今天來講講芯片材料的進化史 在半導體史前時代,也就是上個世紀初 電子設備都是些龐然巨物 因為裡面用的電子管是一種特別粗壯的真空玻璃管 50年代人們發現用硅合褶這樣的半導體材料 可以做出比電子管小得多的晶體管 半導體時代由此開啟 地球文明解鎖了新技能 集成電路和芯片 硅合褶也是成了人們後來俗稱的第一代半導體 褶做的晶體管在早期一度很流行 但由於速度較慢不耐熱 到80年代初就基本被硅基管給取代了 現在世界上的芯片90%以上都是硅基的 晶圓也基本都是硅片 褶成了配角 主要作用是在硅上做抑制外延 提高硅管載流子的遷移率 原理我在薄膜沉積那期視頻講過 簡而言之就是給硅管覆膜加工速 而硅作為半導體元老 在未來很長一段時間內 仍然會是造芯片的主流材料 畢竟用了幾十年 工藝成熟成本低廉 尤其硅元素在自然界的儲量還特別大 沙子遍地都是嘛 那後來所謂第二代半導體又是什麼呢 它們就不是從硅砂裡提純出的單晶硅了 而是化合物半導體 比如生化鉀和磷化鷹 這些材料相比硅基管 主要優點是電子遷移率高 速度快 比較適合光電和射頻領域 但其他方面的提升相對一般 有的甚至還有負buff 比如生化鉀 它的晶圓比較脆容易碎 那成本就貴 而且生化物嘛 基本都有點毒 比如P霜、鶴頂紅 就是生的氧化物 雖然理論上沒有人會去填芯片 但畢竟生產中有大量高溫環節 生化物有受熱分解的風險 當然芯片廠裡劇毒的東西太多了 各種有機溶劑、濕髮化學品 生化鉀根本排不上號 可是如果芯片有毒 那對於環境回收還是有著諸多不便的 總之第二代半導體並沒有能徹底取代硅 兩者性能各有千秋 只是在某些細分領域 比如發光半導體或者射頻器件 二代的特性更適合 而第三代半導體 實際上我們業內叫做寬靜帶半導體 包括碳化硅、氮化鉀和氧化鋅等等 靜帶寬度是半導體物理學的概念 對應著電子躍遷的難度 材料的靜帶越寬就越難導電 所以寬靜帶半導體和硅一比 更像絕緣體、性質穩定 做芯片的優勢很大 不管是面積、功耗 仿漏電、遷移率、功率密度 對高壓和輻射的抗性等等 基本都超越了硅 目前量產的三代材料中 氮化鉀大家可能聽得最多 因為很多充電器、快充頭 裡面用的就是氮化鉀器件 它的特點是開關頻率高 損耗低、體積小 特別適合做電源芯片 以前的充電頭那麼大一坨 現在用氮化鉀就可以做成個小方塊 但目前氮化鉀的市場還不是很大 只是大部分用在了消費電子品 離大家的生活更近一些 這幾年真正賺了大錢的三代半導體 還得是碳化硅 它的量產時間最早 市場規模最大 是氮化鉀的好幾倍 只是它在消費電子用得少 主要在工業、光伏和汽車領域悶聲搞錢 尤其是電動車行業 很多業外的人開始關注碳化硅 就是因為特斯拉在2018年 把車上硅劑的功率半導體 換成了碳化硅 那什麼又是功率半導體呢? 它泛指功率器件和功率IC 作用是電力轉換和功率控制 比如電動車裡 電池輸出的是直流電 但是汽車電機不是直流馬達 裝兩節電池就能玩奧迪雙鑽 電動車的發動機是交流電驅動的 想開車就要把電池給的直流電 轉換成電機用的交流電 這個轉換就要用到逆變器 除了逆變器 還有車上做電壓轉換 給你充手機的車載供電系統OBC 以及電驅電控所需要的控制模塊PCU 都要使用大量的功率模塊 之前車企用的都是硅基的MOS管和IGBT 但硅的材料性能已經快被壓榨到天花板了 工程師必須在功耗、頻率、電壓上做取捨 不能說我全都要 而碳化硅這種材料的上限更高 它的靜怠寬度是硅的三倍 熱導率也是硅的三倍 集傳場強是硅的九倍 所以它特別耐熱耐高壓 電壓升高了 汽車充電不就快了嗎 還有碳化硅的開關頻率遠遠高於硅 導通電阻又只有硅的兩百分之一 開關和導通損耗都比硅小得多 在功耗上優勢明顯 功耗下降了 汽車續航不就長了嗎 所以碳化硅的這些優點 精準打到了電動車的痛點 這也是為什麼碳化硅 首先在汽車領域上攻城掠地 可是既然碳化硅這麼強 那是不是從功率性變開始 我們就能把硅做的晶體管給換掉呢 沒那麼簡單 甚至還有反覆 比如今年三月 首先把碳化硅帶火的特斯拉 又宣佈開倒車 要在未來減少75%的碳化硅用量 這是為什麼呢 主要是為了錢 碳化硅做的晶體管確實很香 但也很貴 價格是硅管的四倍 當然也不排除馬老闆在故意放煙霧彈 給碳化硅先壓一波價 再去搶貨 可碳化硅為什麼賣這麼貴呢 沙子便宜 碳也不貴啊 主要是因為不好生產 工藝比較複雜 比如碳化硅的晶體生長速度奇慢無比 單晶硅都長100毫米了 這邊碳化硅才長了不到1毫米 而且長晶過程中還容易長出奇形種 因為碳化硅的同質液苟體有200多種 所以要對工藝控制極其精確 才能長出一個結構完美的晶錠 而等晶錠長成完全體 切割成晶圓又是個問題 碳化硅太硬了 判斷一個東西硬不硬 有個指標叫做莫適應度 滿分10分 銅13 鐵14 牙齒15 硅16.5 所以鐵齒銅牙咬到沙子了也得崩 而碳化硅差不多9.5 基本僅次於金剛石 所以我們用傳統的金剛石線 去切割軟軟的硅 切速快 切口平 但是切碳化硅就有點切不動 用時長磨損大 最好上激光去切 當然以後要能用納米絲去切就更好了 限制碳化硅的另一個原因是產能 經過上次缺芯潮之後 廠商做產品迭代都怕供應鏈出問題 硅級芯片都能缺貨 碳化硅就更不好說了 它不光生產速度慢 晶圓的尺寸也比硅片小很多 我給大家展示一下 這是8寸的硅片 這是12寸的硅片 很明顯晶圓大一號 芯片數量就倍增 8寸的硅片大家已經覺得太小 新建工廠都在上12寸的大硅片 但碳化硅產線基本只到6寸 頭部企業剛剛能量產8寸 順便說一下 碳化硅晶圓是半透明的 很漂亮 但是不方便光刻和量測 另外再說一下 沒封裝的芯片 你要是像我這樣 直接用手拿是會捱打的 因為手上有灰有焊有靜電 摸一下就可能芯片報廢 我這些已經作廢了 就無所謂 說回碳化硅產能問題 目前有產線的工廠不算多 產能還都在爬坡 短期內的供給肯定不夠多 現在有誰在做碳化硅芯片呢 首先是ST 也就是液化半導體 它的碳化硅產品出來的比較晚 但率先上了特斯拉 然後是Cray和英飛凌 Cray是一家美國公司 本來的主業是發光半導體 後來搞了個射頻業務部 叫Warp Speed 做碳化硅和碳化硅襯底的淡化加 現在Warp Speed已經是碳化硅 從襯底到氣墊的產業鏈一哥了 英飛凌是一家德國公司 從西門子分出來的 硅基管它做得不錯 尤其是IGBT 但是在碳化硅上的佈局也很早 01年就做出了碳化硅二基管 英家的功率產品我比較熟 畢竟有些還是我當年負責流片的 但是具體工藝細節沒法講 來講點這兩家的八卦吧 英飛凌曾經很有希望 成為碳化硅的全領域一哥 外延工藝和切割技術都很厲害 但缺個襯底 所以16年碳化硅還沒那麼火的時候 他就看上了Cray的Warp Speed 計劃用8.5億美元收購它 Cray也同意了 兩家合同都簽了 結果最後關頭 被美國的海外投資委員會給否了 因為擔心影響國家安全 具體原因美方沒有明說 但其實懂的都懂 就是碳化硅和氮化鉀 抗輻射防幹擾的能力強 在軍工航天領域也是有大用的 所以不準賣給德國人 結果英飛凌白高興一場 還要白給Cray 一千多萬美刀的合同終止費 然後更大的轉折還在後面 一年之後Cray轉手圍攻 把英飛凌的社評業務部給買走了 德國政府也比較老實 沒說我也來輔助一下 讓美國人也交一筆合同終止費 這幾年很多芯片公司的 兼併收購都很誇張 有空我給大家盤幾個 半導體的商戰大戲 想喫瓜的同學 可以扣個一表示一下 其他的碳化硅大廠 國際上還有羅姆和二六 國內也有不少在佈局的企業了 比如做氣墊的三安光電和泰科天潤 一些車企和白電廠商 也在自己做碳化硅模塊 最基礎的碳化硅襯底 前面提到英飛凌自己 做不了襯底 只能到處買 最近就才和天悅簽了供貨協議 以後會從汕東買六村的景苑 最後 儘管碳化硅在汽車賽道 吹響了大舉進攻的號角 但便宜又穩定的硅基管 仍然有一戰之力 因為碳化硅除了成本和產能問題 還面臨許多對性能和可靠性的擔憂 比如其襯底缺陷 往往是硅片的數百倍 對工藝和測試的要求極高 未來如果碳化硅工藝進步 把缺陷控制住 景苑主流尺寸從六寸升到八寸 把產能堆上去 然後廠商們再捲一捲 把成本打下來 那首先在功率器件和功率IC這個領域 芯片材料就真的要改朝換代了 當然前提是第四代超寬近代半導體 沒有彎道超車 OK 以上就是本期視頻的全部內容 化合物半導體和碳化硅還有很多值得講的東西 包括生產流程 器件結構 平面型 構造商等等 以後我還會做一些碳化硅和氮化鎵的專題 對芯片和半導體感興趣的朋友 別忘了點個贊關注一下 我是三圈 下期再見 超超