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随着生产工艺提高以及价格的下降,碳化硅晶片正有可能全面替代硅,而成为今后半导体产业的首选。
俄亥俄州克里夫兰,美国宇航局格林研究中心的实验室里,圆形的发热器上摆放着一枚芯片。它很小,只有5 毫米见方。灯光暗下来,电源接通,发热器底部的电阻逐渐将紧贴着的芯片加热。随着温度升高,电阻丝和芯片同时放射出半透明的红光,在黑暗的屋子里很是显眼。数据显示此时芯片的温度已经达到650℃,而芯片的各项性状仍然正常——它还能用。
格林研究中心的项目是为美国的太空计划服务的。被测试的这块芯片今后将应用于飞船上的电子设备。与一般的芯片不同,它不是用硅制造的,而是用碳化硅。目前,随着生产工艺提高以及价格的下降,这种材料正有可能全面替代硅,而成为今后半导体产业的首选。
高温下工作的碳化硅
几十年来,硅晶片一直领衔着计算机产业的发展,然而它的地位正在发生动摇。iPod、Kindle 以及3G 手机的出现都在提醒着人们,电子设备日益小型化是不可阻挡的趋势。这需要让电路变得更小,在更紧张的空间里放置更多的晶体管。但是随着设备体积的缩小,以硅材料为基础的晶体管电路正面临物理极限——最起码,电路必须考虑散热的需要。2008 年,在美国计算机学会举行的一次计算机研讨会上,宾夕法尼亚州立大学的苏曼• 达塔(Suman Datta)甚至认为,传统的硅晶片只能维持4 年的时间了。
最早的碳化硅晶片由美国科锐(Cree)公司合成并达到量产。之所以选择它来替代传统的硅晶片,主要是看中它的良好性能。
与第一代半导体硅(Si)和第二代半导体砷化镓(GaAs) 相比,碳化硅具有更强的导热以及高温抗氧化性。人们平时所使用的电脑中,普通硅元件只能在150℃以下正常工作,如果换成碳化硅,它的极限温度高达650℃,将大大减少设备的降温负担。根据美国空军的评估,在F-16 战斗机中使用先进的碳化硅电子设备,可以相应减少对降温设备的使用,使该飞机的质量减轻几百千克,工作性能和燃料效率得到提高,工作可靠性更高,维护费用和停工检修期大大减少。此外,电动汽车以及混合动力车都装有用来将蓄电池提供的直流电转变成交流电的逆变器,向车辆供应15~100 千瓦不等的电力。如果逆变器可以工作在更高的温度,就可以在设计的时候减小散热面积,从而减小逆变器的体积,减轻车重。
碳化硅的另一个优势是优秀的导电性。一片碳化硅晶片的内阻仅为硅片的百分之一。有资料显示,使用碳化硅的电力转换类器件,电力损耗量仅是原来的一半。三菱公司目前正在开发碳化硅元件,他们认为,使用碳化硅有时可以减少70% 的电力损失。
但如果使用碳化硅材料,需要投入大量精力在周边产品材料的研发上:以往使用的硅材料在200℃就会停止工作,这样,它所要求的周边设备,如逆变器模块的封装材料、焊锡、控制电路、电容器等只要具备200℃以下的耐热性就足够了。现在,碳化硅材料在节省冷却装置的同时,温度必然会有所升高,这对于周边产品的耐热性就提出了更高的要求。
价格不菲
“我们今后的研发方向主要是将晶片的尺寸做大,减少缺陷提高性价比。”科锐公司的邵先生说。晶体品质缺陷,机械加工性能比较差目前仍是碳化硅晶片无法避免的瑕疵。但碳化硅晶片最难解决的问题是价格。由于生产难度和长期以来美国科锐公司的技术壁垒,碳化硅晶片的价格始终难以下调。在半导体行业工作10 年的张斌认为,国产碳化硅晶片的价格并不高,但是碳化硅晶片在市场上的整体价格依然很高。北京天科合达蓝光半导体有限公司目前2 英寸晶片的促销价格是150~250 美元/ 片,据该公司表示,这个价格比科锐要便宜3倍以上, 但如果和硅晶片相比价格仍很悬殊。目前,市场上的一片硅晶片不超过10 美元。与此同时天科合达表示,在促销期结束以后晶片的价格仍有上升的趋势。
对于碳化硅晶片仍然偏高的价格,相关行业的很多厂商和技术人员目前保持着乐观态度。日本媒体认为更多碳化硅生产厂商的出现终将使这种材料的价格大幅下降。此外,因为使用碳化硅可以减少某些周边设备的使用,最终生产出的产品,如LED、电动汽车逆变器等的价格其实并不比用传统材料贵多少。一只使用碳化硅晶片的成品LED 比使用蓝宝石衬底的仅贵一到两分钱,但性能却更加优秀。
各国展开的“军事竞赛”
技术壁垒是碳化硅价格居高不下的重要原因。到目前为止,拥有将碳化硅晶片制成LED 衬底材料技术专利的只有美国科锐公司。此外能够自主研制碳化硅晶片的还有德国的SiCrystal 和新日本制铁。长期以来,中国没有能力人工合成半导体级别的碳化硅,而国外又对中国实行禁运。这其中,商业垄断并不是构成技术壁垒的最根本原因。
碳化硅由于其优质的性能而被广泛应用在军事领域。以美国研制的“黑鸟”F-117A 为例。“黑鸟”曾在海湾战争中数次突破巴格达上空的防线,它全身仅20 多米长,总重量不超过24 吨。这种轻型隐身战斗机当时总共出动了44 架,完成近1600 次空袭任务。在制作“黑鸟”的材料中就添加了这种碳化硅。作为一种吸波材料,它使F-117A 可以吸收敌方雷达发射的雷达波,达到隐身的效果。正是因为可以应用在隐身武器以及高精密电子设备中,多年来各国一直在努力研究碳化硅材料在军事领域的应用。这无疑也对高端碳化硅材料技术壁垒的形成起到了推波助澜的作用。
这种技术壁垒是制约民用碳化硅晶片发展的最大障碍。2006 年9 月,北京天科合达蓝光半导体有限公司的成立使中国拥有了碳化硅晶片的自主研发能力。“目前我们主要投入市场的是2 英寸和3 英寸的晶片”。即便如此,这和科锐公司仍有一段相当长的距离。科锐公司在上海总部的邵先生表示,现在他们研发的是6 英寸的碳化硅晶片,3 英寸和4 英寸已经达到了量产。而该公司由于长期技术领先,晶片产销量占到市场份额的60%~70% 左右。即便如此,碳化硅晶片的前景依然可观。现在,汽车、电子器件、逆变器设备、电力公司等企业都对这种材料产生了浓厚的兴趣。东芝公司在使用碳化硅材料的同时加入了自己的先进技术。2003 年第三季,该公司采用90 纳米工艺批量生产碳化硅芯片。这种产品可用于便携式无线、高速网络和数字多媒体等产品。2008 年,他们又演示了采用碳化硅材料制成的逆变器模块。碳化硅晶片在汽车行业的市场潜力可能更加宽广。2006 年,沃尔沃技术转让公司开始投资研制碳化硅。丰田汽车的技术人员也对这种材料给予了充分的重视:“碳化硅具有与汽油发动机同等的重要性”。2010 年碳化硅材料有望使用在丰田的混合动力汽车上。
生产厂商的发展速度也突飞猛进。虽然科锐公司的年报数据显示,2006 年~2008 年材料的总销售额是逐渐下降的,但是该公司的邵先生表示,这主要是因为他们自己的产品消耗得更多,反而证明了市场对碳化硅产品的需求量更大。天科合达与科锐公司所对应的客户群并不相同,“主要是器械方面的客户”。不过他们也表示:“由于有中科院物理所的技术支持,可以说在技术上我们并不比科锐差,最明显的是从2 英寸到3 英寸我们的研发时间只有1 年多一点,而科锐用了好几年。预计在两三年之内我们的产品可以在国际市场上占20% 左右的份额。”
俄亥俄州克里夫兰,美国宇航局格林研究中心的实验室里,圆形的发热器上摆放着一枚芯片。它很小,只有5 毫米见方。灯光暗下来,电源接通,发热器底部的电阻逐渐将紧贴着的芯片加热。随着温度升高,电阻丝和芯片同时放射出半透明的红光,在黑暗的屋子里很是显眼。数据显示此时芯片的温度已经达到650℃,而芯片的各项性状仍然正常——它还能用。
格林研究中心的项目是为美国的太空计划服务的。被测试的这块芯片今后将应用于飞船上的电子设备。与一般的芯片不同,它不是用硅制造的,而是用碳化硅。目前,随着生产工艺提高以及价格的下降,这种材料正有可能全面替代硅,而成为今后半导体产业的首选。
高温下工作的碳化硅
几十年来,硅晶片一直领衔着计算机产业的发展,然而它的地位正在发生动摇。iPod、Kindle 以及3G 手机的出现都在提醒着人们,电子设备日益小型化是不可阻挡的趋势。这需要让电路变得更小,在更紧张的空间里放置更多的晶体管。但是随着设备体积的缩小,以硅材料为基础的晶体管电路正面临物理极限——最起码,电路必须考虑散热的需要。2008 年,在美国计算机学会举行的一次计算机研讨会上,宾夕法尼亚州立大学的苏曼• 达塔(Suman Datta)甚至认为,传统的硅晶片只能维持4 年的时间了。
最早的碳化硅晶片由美国科锐(Cree)公司合成并达到量产。之所以选择它来替代传统的硅晶片,主要是看中它的良好性能。
与第一代半导体硅(Si)和第二代半导体砷化镓(GaAs) 相比,碳化硅具有更强的导热以及高温抗氧化性。人们平时所使用的电脑中,普通硅元件只能在150℃以下正常工作,如果换成碳化硅,它的极限温度高达650℃,将大大减少设备的降温负担。根据美国空军的评估,在F-16 战斗机中使用先进的碳化硅电子设备,可以相应减少对降温设备的使用,使该飞机的质量减轻几百千克,工作性能和燃料效率得到提高,工作可靠性更高,维护费用和停工检修期大大减少。此外,电动汽车以及混合动力车都装有用来将蓄电池提供的直流电转变成交流电的逆变器,向车辆供应15~100 千瓦不等的电力。如果逆变器可以工作在更高的温度,就可以在设计的时候减小散热面积,从而减小逆变器的体积,减轻车重。
碳化硅的另一个优势是优秀的导电性。一片碳化硅晶片的内阻仅为硅片的百分之一。有资料显示,使用碳化硅的电力转换类器件,电力损耗量仅是原来的一半。三菱公司目前正在开发碳化硅元件,他们认为,使用碳化硅有时可以减少70% 的电力损失。
但如果使用碳化硅材料,需要投入大量精力在周边产品材料的研发上:以往使用的硅材料在200℃就会停止工作,这样,它所要求的周边设备,如逆变器模块的封装材料、焊锡、控制电路、电容器等只要具备200℃以下的耐热性就足够了。现在,碳化硅材料在节省冷却装置的同时,温度必然会有所升高,这对于周边产品的耐热性就提出了更高的要求。
价格不菲
“我们今后的研发方向主要是将晶片的尺寸做大,减少缺陷提高性价比。”科锐公司的邵先生说。晶体品质缺陷,机械加工性能比较差目前仍是碳化硅晶片无法避免的瑕疵。但碳化硅晶片最难解决的问题是价格。由于生产难度和长期以来美国科锐公司的技术壁垒,碳化硅晶片的价格始终难以下调。在半导体行业工作10 年的张斌认为,国产碳化硅晶片的价格并不高,但是碳化硅晶片在市场上的整体价格依然很高。北京天科合达蓝光半导体有限公司目前2 英寸晶片的促销价格是150~250 美元/ 片,据该公司表示,这个价格比科锐要便宜3倍以上, 但如果和硅晶片相比价格仍很悬殊。目前,市场上的一片硅晶片不超过10 美元。与此同时天科合达表示,在促销期结束以后晶片的价格仍有上升的趋势。
对于碳化硅晶片仍然偏高的价格,相关行业的很多厂商和技术人员目前保持着乐观态度。日本媒体认为更多碳化硅生产厂商的出现终将使这种材料的价格大幅下降。此外,因为使用碳化硅可以减少某些周边设备的使用,最终生产出的产品,如LED、电动汽车逆变器等的价格其实并不比用传统材料贵多少。一只使用碳化硅晶片的成品LED 比使用蓝宝石衬底的仅贵一到两分钱,但性能却更加优秀。
各国展开的“军事竞赛”
技术壁垒是碳化硅价格居高不下的重要原因。到目前为止,拥有将碳化硅晶片制成LED 衬底材料技术专利的只有美国科锐公司。此外能够自主研制碳化硅晶片的还有德国的SiCrystal 和新日本制铁。长期以来,中国没有能力人工合成半导体级别的碳化硅,而国外又对中国实行禁运。这其中,商业垄断并不是构成技术壁垒的最根本原因。
碳化硅由于其优质的性能而被广泛应用在军事领域。以美国研制的“黑鸟”F-117A 为例。“黑鸟”曾在海湾战争中数次突破巴格达上空的防线,它全身仅20 多米长,总重量不超过24 吨。这种轻型隐身战斗机当时总共出动了44 架,完成近1600 次空袭任务。在制作“黑鸟”的材料中就添加了这种碳化硅。作为一种吸波材料,它使F-117A 可以吸收敌方雷达发射的雷达波,达到隐身的效果。正是因为可以应用在隐身武器以及高精密电子设备中,多年来各国一直在努力研究碳化硅材料在军事领域的应用。这无疑也对高端碳化硅材料技术壁垒的形成起到了推波助澜的作用。
这种技术壁垒是制约民用碳化硅晶片发展的最大障碍。2006 年9 月,北京天科合达蓝光半导体有限公司的成立使中国拥有了碳化硅晶片的自主研发能力。“目前我们主要投入市场的是2 英寸和3 英寸的晶片”。即便如此,这和科锐公司仍有一段相当长的距离。科锐公司在上海总部的邵先生表示,现在他们研发的是6 英寸的碳化硅晶片,3 英寸和4 英寸已经达到了量产。而该公司由于长期技术领先,晶片产销量占到市场份额的60%~70% 左右。即便如此,碳化硅晶片的前景依然可观。现在,汽车、电子器件、逆变器设备、电力公司等企业都对这种材料产生了浓厚的兴趣。东芝公司在使用碳化硅材料的同时加入了自己的先进技术。2003 年第三季,该公司采用90 纳米工艺批量生产碳化硅芯片。这种产品可用于便携式无线、高速网络和数字多媒体等产品。2008 年,他们又演示了采用碳化硅材料制成的逆变器模块。碳化硅晶片在汽车行业的市场潜力可能更加宽广。2006 年,沃尔沃技术转让公司开始投资研制碳化硅。丰田汽车的技术人员也对这种材料给予了充分的重视:“碳化硅具有与汽油发动机同等的重要性”。2010 年碳化硅材料有望使用在丰田的混合动力汽车上。
生产厂商的发展速度也突飞猛进。虽然科锐公司的年报数据显示,2006 年~2008 年材料的总销售额是逐渐下降的,但是该公司的邵先生表示,这主要是因为他们自己的产品消耗得更多,反而证明了市场对碳化硅产品的需求量更大。天科合达与科锐公司所对应的客户群并不相同,“主要是器械方面的客户”。不过他们也表示:“由于有中科院物理所的技术支持,可以说在技术上我们并不比科锐差,最明显的是从2 英寸到3 英寸我们的研发时间只有1 年多一点,而科锐用了好几年。预计在两三年之内我们的产品可以在国际市场上占20% 左右的份额。”