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观芯:“新基建”和第三代半导体 精选

已有 4943 次阅读 2020-3-28 15:52 |系统分类:观点评述|关键词:学者

汪炼成 20200326 

1.     GaN基射频器件是5G基站核心器件之一, GaN基LED可见光通信是5G 通信的重要组成部分,5G基建将直接促进Mini/Micro-LED 4K/8K高清显示及VR/AR等数据高容量存储、大流量传输和快速度响应有强烈需求的相关产业的发展。

2.     SiC基SBD、MOSFET及GaN基HEMT功率器件是特高压输电、轨道交通和新能源汽车的核心器件。

3.     在人工智能、工业互联网应用中,基于第三代半导体的传感器产品在市场上还相对较少,这些产品目前仍处于实验室研发阶段。      


       什么是“新基建”?在中央电视台中文国际频道的定义中,新型基础设施建设是指发力于科技端的基础设施建设,主要包含 5G 基建、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等七大领域,涉及到通信、电力、交通、数字等多个社会民生重点行业。而以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料,具有禁带宽、击穿电场强度高、饱和电子迁移率高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强等优点。以第三代半导体材料为基础制备的电子器件是支撑“新基建”上述5G 基建、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源汽车充电桩等领域的关键核心器件。

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一、5G 基建

       5G通信是人工智能、工业互联网等领域的基础,而5G 基建同半导体,特别是第三代半导体密切相关。信息沟通和交换是人类永恒的需求,而现代信息的爆炸性增长更是对通信提出了更高的要求。5G 就好比是信息高速公路,5G 基站就好比高速公路的出入口,手机等终端需要通过基站接入这条高速公路。5G的基站需要在原有4G基础上进一步大规模建设,其主要原因是5G的频谱高,基站的覆盖面就相应变小,相对于4G,5G的建设需要更多的小基站才能消除盲区(更多布点的出入口)。要提高频谱利用率,主要的技术方式是增加基站和天线的数量,对应5G中的关键技术应为大规模天线阵列(Massive MIMO)和超密集组网(UDN)。

      GaN基射频器件在5G基站建设中具有举足轻重位置。基站中最重要的器件是射频器件,作用是调制(信号加载)和功率放大(信号增益以利传送)。5G射频器件要求高频(出入口快速ETC通道)、高功率(多个缴费接入窗口)、高效率(大部分都能接入高速)、高放大增益(乡间小路直接转入高速,不需要绕太远)。现阶段在整个射频市场,LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体,Lateral Double-diffused Metal-oxide Semiconductor)、GaAs和GaN几乎三分天下。LDMOS 适用于不超过约3.5GHz的频率范围,而GaAs功率放大器虽然能满足高频通信的需求(GaAs材料的电子迁移率几乎是Si材料的电子迁移率的5倍),但因本身的禁带宽度限制,GaAs器件的输出功率不如GaN器件。GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor)器件能实现5G高频的原因在于材料特有的压电极化效应,不需要掺杂甚至就可以有很高的电子浓度。而对于GaAs HEMT,需要对AlGaAs掺杂,施主电子转移到AlGaAs/GaAs的三角势阱,来同时获得高载流子浓度和高迁移率(掺杂本身会对电子迁移散射而降低其迁移率)。目前GaN技术已成为高频、大功耗应用技术的首选,不论在频宽、性能、容量、成本间均具有优势。

       目前商业化GaN射频器件,主要有用于宏基站的100W-300W的极大功率功放管、单模输出功率为5-10W,频率0.5-6GHZ的5G Massive MIMO 功放模块、2-10W GaN MMIC(单片微波集成电路,Monolithic Microwave Integrated Circuit)。大部分GaN射频器件材料是在半绝缘SiC上生长,少部分在Si衬底上。后者具有成本优势,且可以同成熟Si基集成电路更好兼容。技术的发展,性能的提升,Si衬底GaN射频器件将更具有竞争优势。GaN射频器件及模块技术门槛很高,目前生产该类产品的主要公司有三菱电机和Qorvo等。

        GaN基LED可见光通信、Mini/Micro-LED显示和5G直接相关。可见光通信,无需WiFi信号,点一盏LED灯就能上网。与使用的无线局域网(无线LAN)相比,可见光通信利用室内照明灯具代替无线局域网基站发射信号,其通信速度可达每秒数百兆,未来传输速度还可能超过光纤通信。利用专用的、能够接发信号功能的电脑以及移动信息终端,只要在室内灯光照到的地方,就可以下载和上传高清晰图画和动画等数据。且系统安全性高,用窗帘遮住光线,信息就不会外泄至室外,同时使用多台电脑也不会影响通信速度。由于不使用无线电波,对电磁信号敏感的医院等部门和飞机等场所可以使用GaN基白光LED可见光通信可以是传统WiFi的有力补充,是智慧城市、智能家居等重要的支撑技术。特别是考虑到照明用白光LED灯具无所不在,不需要建设新的基站,就可以进行通信定位等优势,使得可见光通信具有极大的社会价值和经济价值。国内的中国科学院半导体研究所所、复旦大学、解放军信息工程学院在该领域都进行了深入的研究。在产业化方面,有英国爱丁堡大学Hass教授组孵化出来的Purelifi 公司和法国的oledcomm公司等。Purelifi 公司和英国电信商沃达丰合作,进行了可见光通信的一些应用场景展示,同时也可提供解决方案。oledcomm公司开发了可见光通信的模块(所谓的LiFiMAX® Discovery Kit),可以安装在房间屋顶,然后插上类似U盘,可以实现可见通信的家居和办公。可见光通信的进一步发展还需要突破或者考虑以下几个问题:1.技术数据上行;2.功能通照、通显一体化系统;3. 应用场景突破;4. 可见光污染防控;5.光源带宽拓展。

        5G 的发展将催化加速大数据、高清显示等方面发展。比如对于高清显示,中国规划 2020年符合高对比度等要求的 4K 电视销量占比 40%,并在2022 年全面普及,而8K电视销量在2022年占比超过5%。而4K/8K高清电视硬件的推广普及离不开5G对大容量高清内容传输的支持。比如三星S20系列1分钟的8K视频将占用600MB的存储空间,30分钟的视频,会占用将近18GB的存储空间。另外有媒体报道,2016年里约奥运会未经压缩的20分钟8K视频,足足占用了4TB(4096GB)的存储空间。由此可见,如果没有5G的信息传输高速公路,4K/8K高清电视则无法充分发挥其价值和优势。此外,各行各业对VR(虚拟现实技术)、AR(增强现实(Augmented Reality)技术的日益旺盛需求,而5G使得这些技术成为可能。足不出户,而天下美景皆见,天下美食皆尝不再稀奇,窝在床上“实地”逛遍纽约巴黎时装将成为未来购物态势。传统显示器过慢的响应速度限制了VR/AR的渗透,而Micro-LED显示的快速响应和其他压倒性优势同  5G一道将加速支撑VR/AR等的发展。 总之,5G基建将直接促进GaN基Mini/Micro-LED 4K/8K显示及VR/AR等高数据密度、大流量和快传输速度需求相关产业的发展。

二、特高压电网、轨道交通、新能源汽车

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特高压输电网

        相比于轨道交通和新能源汽车,大家对特高压电网可能有点陌生。特高压电网就是电力传输的高速公路,也相当于前述信息高速公路的“5G”甚至“6G”:输出的电压特高、输送的容量特大、传输的距离特远。与传统输电技术相比,特高压输电技术的输送容量最高提升3倍,输送距离最高提升2.5倍,输电损耗可降低45%,单位容量线路走廊宽度减小30%,单位容量造价降低28%。比如,在发电站输出功率不变情况下,1000KV的特高压,相对10KV的常规输电,电流降为原来的百分之一,而输送损耗降为原来的万分之一。能源系统方面专家们对我国特高压建设在安全,经济,市场和环保问题上的相对优势的反对意见在此按下不表。特高压作为大型系统工程,将催发从原材料和元器件等一系列的需求,而功率器件是输电端特高压直流输电中FACTS柔性输电技术和变电端电力电子变压器(PET)的关键器件。

        轨道交通则包括城际高铁,城市地铁,轻轨等。轨道交通会采用功率半导体做牵引变流器,这些牵引变流器的性能将决定轨交列车跑得快不快、速度是否均匀、刹车是否可靠。新能源汽车大家则更熟悉。新能源汽车中涉及到功率半导体的组件有:电机驱动器,车载充电器/非车载充电桩,电源转化系统等。

        功率器件是电力电子的“CPU”,是特高压电网、高速列车、新能源汽车中的核心芯片,起到变频,变流和变压作用。或者更简单的说,功率半导体器件就是个电流的开关,在关断的时候,希望漏电流和残余电流很小,而耐受电压可以很高;在开通的时候,希望电阻尽可能小,电流尽可能大,并且在开关的时间尽可能短。比如,在新能源汽车充电时,功率半导体器件起着交直流转换的作用,把220V标准交流电转换成电池需要的直流电;当在行驶状态下,再将电池输出的直流电转换成交流电供给交流电机,同时在这一转换过程中实时调控全车电压,起着变压器的作用。而对于油电混合新能源汽车,在行驶或者减速或者制动过程中,发动机的一部分动力会产生交流电,被功率半导体器件转化为直流电并存储到电池当中。

       功率半导体最主要的包括二极管、晶闸管、MOSFET和IGBT等。现在用得比较多的为基于Si基的功率器件IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor),全称为绝缘栅双极型晶体管。IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点,驱动功率小而饱和压降低,驱动电流较大。

       但是Si材料的禁带宽度小,击穿电场强度低,且模块工作时最高可承受的结温低。而SiC材料具有更高的禁带宽度,更高的耐击穿电压,更高的热导率,更高的电子迁移率,和更高的材料熔点,在高温、高功率和高频的“三高”领域,基于SiC材料的功率半导体更有竞争优势。SiC的功率半导体器件主要有SiC SBD和MOSFET。根据国家第三代半导体联盟数据,目前商业化的SiC SBD大部分耐压集中在650V和1200V, 电流在60A以下。SiC MOSFET在1700V以下,工作电流在60A以下。罗姆半导体,三菱等公司推出的SiC SBD/MOSFET产品符合车规级别(AEC-Q101)标准,可以应用于新能源汽车市场。一般逆变器系统包括功率半导体器件(如IGBT)和与之并联的续流二极管(FWD)。全SiC和混合SiC模块也在推出,其中罗姆开发的1700V/250A全SiC功率模块已经在性能上可取代1700V Si IGBT模块。对于新能源汽车,据英飞凌的统计,平均一辆燃油车的半导体器件价值合计为355美元,而新能源汽车的半导体器件价值合计为695美元,其中功率半导体器件则由17美元增至265美元。SiC功率模块将逐步渗透甚至取代当前Si IGBT模块,具有较大的市场。

      GaN功率器件主要有GaN SBD,GaN FET,GaN PN结管和GaN HEMT。GaN System公司的GaN HEMT达到650V/150A,代表业界最好水平;GaN SBD达到600-1000V;垂直型GaN PN结管达到5000V。总的来说,GaN功率器件相比SiC 基功率器件还相差较大,GaN HEMT的优势主要是在器件的开关速度较快。小米推出的65W GaN充电器 正是基于这一点。GaN HEMT确实是个比较神奇的器件, GaN射频器件和功率器件都可以基于这个结构,但前者主要关注频率性能,而后者关注耐压和导通时电流性能等。

     新能源汽车行业值得关注特斯拉,也许会和消费电子领域的苹果一样,作为行业新的风向标,引领新能源汽车行业新生态。特斯拉决定在其Model 3车内纳入SiC晶体管而被视为该产业的重要里程碑。特斯拉上海超级工厂将使包括功率半导体器件和模块更加“近水楼台”效应,而是否能够得月,需要在技术研发上紧追猛赶国际先进的三菱,英飞凌和罗姆半导体等公司了。另外,比亚迪EV首次应用自研“高性能碳化硅MOSFET电机控制模块”,使其0-100km/h加速时间缩短至仅需3.9秒,给了SiC晶体管在新能源汽车行业应用打了一剂超强兴奋剂。

       值得指出的是,地处湖南的中车时代电气建设了国内首条、世界第二条8英寸高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT)生产线,是国内屈指可数的IDM公司、国家功率半导体器件领域的龙头企业,也是新型功率半导体器件国家重点实验室所在之地。而时代电气所属母公司中国中车更是我国轨道交通的枢纽“执牛耳”之地,也是新能源汽车的重要发起推广地之一。相信中车和中车时代电气在特高压电网、城际交通、新能源汽车的“新基建”中起到十分重要的作用

三、人工智能、工业互联网

         人工智能、工业互联网的应用需要各种各样的传感器,目前传感器的市场较为充盈,我国从事传感器的研制、生产和应用的企事业单位共2000多家,产品种类共计6000多种,年总产量40多亿只。总的来看,基于第三代半导体的传感器产品在市场上还相对很少,主要还在实验室研发阶段。GaN,ZnO材料由于自身材料特有的极化效应,可以用于压力传感器。GaN HEMT器件,以及GaN/ZnO 纳米线场效应晶体管结构等报道用于生物传感,其原理是得益于HEMT的快速响应能力以及宽禁带性质赋予的较小的背景噪音。GaN/ZnO/SiC光电传感器现在研究得很多。基于GaN材料体系的紫外探测器或者阵列较多应用在航空航天和军事领域,比如在导弹预警等方面,相比红外的高虚警率、需要冷却、强烈的光衍射效应缺点,紫外制导具有虚警率下降、系统大为简化、不需冷却、重量轻、体积小、易携带、工作波长较短光学系统的衍射效应小等优点。GaN基红外量子级联激光器在气体探测和传感方面有应用,但目前MBE材料生长程序较复杂,生产效率低下。GaN基可见光探测器,则面临量子阱区极化效应,导致频率响应方面在5G应用上还有一定差距。基于SiC材料的压力传感器和温湿度传感器有一定报道,但也在初步研发阶段,性能价格等方面与市场其他材料体系产品还有一定差距。




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