非硅基半导体布局“适逢其时”?

标签:半导体
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近几年,随着人工智能、非硅半导体材料、光电量子等新技术的快速发展,以及半导体工艺和体系结构的改进,业界对“摩尔定律”是否延缓或失效话题“甚嚣尘上”,在研发新的硅基新工艺的同时,也在探索非硅基半导体技术演进路径。

近日,上海市人民政府印发《上海打造未来产业创新高地发展壮大未来产业集群行动方案》。方案目标要求,到2030年,在未来健康、未来智能、未来能源、未来空间、未来材料等领域涌现一批具有世界影响力的硬核成果、创新企业和领军人才,未来产业产值达到5000亿元左右。

其中,在打造未来材料产业集群方面,上海将重点布局非硅基芯材料,推动碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体化合物发展,持续提升宽禁带半导体化合物晶体制备技术能级和量产规模,积极布局宽禁带半导体晶圆制造工艺技术,增强宽禁带半导体芯片产品设计能力,扩大产品应用领域,积极推动石墨烯、碳纳米管等碳基芯片材料,半导体二维材料等未来非硅基半导体材料技术研究和布局。

这是政府层面一次明确的政策导向,将进一步推动非硅基半导体技术研发与应用。那么,非硅基半导体布局是否“适逢其时”?

摩尔定律失效问题待解

关于非硅基半导体布局,首先要谈一下摩尔定律失效问题。摩尔定律是英特尔创始人之一戈登·摩尔的经验之谈,其核心内容为:集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍。换言之,处理器的性能每隔两年翻一倍。

目前,各大半导体厂商为提升集成电路更高的性能,更低的功耗,更小的面积(成本),也即通过不断增加晶体管来予以实现。然而,即使实现了晶体管堆积数量的增加,性能的提升,但是成本的飙升、高昂的价格已经让越来越多的企业停下对先进制程的追逐,思考摩尔定律本身的合理性。

从物理层面来说,晶体管尺寸缩小之后可能会导致其他形式导通的电流。短的沟道会造成源极和漏极之间形成额外的导通“沟道”,形成漏电流,即使在器件处于不导通状态时,也会有少量电流“泄漏”通过沟道,那么栅极的控制就名存实亡了。而且,当漏电达到一定程度的时候,就相当于晶体管一直处于开启状态,这些漏电流会全部转换成发热量,因此漏电变大会直接导致CPU发热量上升。这是

由此可见,摩尔定律失效的两大主因:一是技术问题,主要为高温和漏电,其也正是硅材料未来被替代的原因;二是投资成本,在不断提升芯片工艺的同时,一条高端的晶圆产线,动辄需要花费上百亿美元,比如台积电的3纳米产线至少需要150亿美元。

因此,中国要想在芯片领域上实现“超车”,就必须走“非硅路线”。任正非就对于石墨烯寄予了厚望,认为石墨烯将会引发一场材料革命,有望彻底颠覆硅时代。

碳基半导体被寄予厚望

从理论上来讲,第三代半导体芯片以碳基芯片技术为主,该技术较硅基芯片具有更强大的稳定性以及散热能力。同时,碳基芯片较硅基芯片还会有低功耗、高性能的特点,能够弥补芯片由于制程工艺不足所造成的短板。相对而言,第三代半导体与 Si(硅)、GaAs(砷化镓)等前两代半导体相比,在耐高压、耐高温、高频性能、高热导性等指标上具备很大优势。

目前,以碳基芯片为代表的第三代半导体材料还处于起步阶段。中国和欧美基本处于同一水平,各有优势,美国在第三代半导体方面是布局最全面的,欧洲在电力电子市场有较大话语权,中国则在LED、太阳能方面居于全球第一。

同时,碳基半导体无需当下全球最先进的3nm、5nm、7nm等先进工艺。在如此情况下,中国发展第三代半导体将不受海外芯片设备的限制,规避了欧美庞大的硅基半导体技术专利群,而且相对于硅基芯片来说,芯片工艺开发难度也小很多,有利于中国实现弯道超车。

另外,从应用趋势来看,SiC、GaN等第三代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、高迁移率等特点,将被广泛用于功率器件、射频器件等领域。

2020年全球SiC功率器件市场规模为6.29亿美元,Mordor Intelligence预计到2026年将达到47.08亿美元,2021-2026的年复合增长率为42.41%。其中由于电动汽车的爆发,汽车行业将是SiC功率器件的主要增长应用,而亚太地区会是增长最快的市场。在光伏逆变器上,SiC渗透率也呈现高速增长,华为预计在2030年光伏逆变器的碳化硅渗透率将从目前的2%增长到70%以上,在充电基础设施、电动汽车领域渗透率也超过的80%,通信电源、服务器电源将全面推广应用。根据Yole的统计,2020年全球GaN-on-SiC射频器件市场规模为8.86亿美元,预计2026年将达到22.2亿美元,2020-2026年复合增长率为17%。

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