體積更小效率更高5G時代第三代半導體功率器件顯身手
5G時代，半導體功率器件正在發揮越來越重要的影響。小到充電器，大到高鐵、新能源汽車……核心的控制系統都離不開他們。在生活中，大家比較熟悉的是芯片，但芯片研發出來后并不能直接使用，而是要通過加工成為功率器件——一個個指甲蓋大小的黑盒子，芯片被嵌在盒中、盒外有兩三根金屬針腳。就是這樣的小盒子，在和“電”相關的各個領域發揮著巨大作用。當前半導體材料已發展至第三代，碳化硅和氮化鎵兩種材料是第三代半導體功率器件的主流發展方向。相對于傳統的硅材料，第三代半導體功率器件體積更小、重量更輕、效率更高。通俗地說，有了碳化硅和氮化鎵等功率器件，手機、電腦的充電器可以變得小巧、電動汽車的電源體積可以節省80%左右、衛星的重量可以減少噸級……在杭州，有這樣一家年輕的初創企業——派恩杰半導體(杭州)有限公司，從兩年多前創立到現在，他們專注于碳化硅和氮化鎵功率器件設計制造，為第三代半導體功率器件國產化拓展了方向。
“我們主要把精力放在碳化硅和氮化鎵功率器件研發上，氮化鎵器件適合生產消費領域，可以用在充電器和激光雷達等方面；碳化硅器件則更適合高電壓大功率應用，一般用在工廠設備、高鐵、電動汽車、5G基站等工業場景中，應用場景廣闊，是我們重點研發的領域。”派恩杰創始人黃興介紹。
2019年4月，派恩杰對外發布首款氮化鎵產品，這款產品可以降低70%-90%的電源損耗。黃興說，對于消費級應用如手機快充等，氮化鎵可以實現全面的導入和應用。目前5G通信業務正進入快速擴張期，對應的氮化鎵功率器件需求持續增長，接下來氮化鎵產業換代的步伐將加快。
同年8月，派恩杰發布國內首款6寸第三代碳化硅MOSFET，引起業內的廣泛關注。該產品用于充電樁、太陽能及風能并網、高鐵、智能電網等，損耗、能效等指標達到國際先進水平，自主研發的碳化硅功率器件水平領跑全國。
半導體行業有一句話：“得碳化硅者得天下”。碳化硅是制造高溫、高頻、大功率半導體器件的理想襯底材料，綜合性能較硅材料可提升上千倍，被譽為固態光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”，是光電子和微電子等產業的“新發動機”。
黃興介紹，隨著2019年底第一批國產特斯拉電動車的交付，碳化硅功率器件相關領域全面取代硅基IGBT的趨勢也越來越明顯。特別是碳化硅帶來的高效率、低重量、小體積，以及在散熱與并聯方面的易用性，對于新能源汽車的整體設計至關重要。另外，第五代(5G)無線網絡協議、無人駕駛和自動汽車、交通電氣化、增強現實和虛擬現實(AR/VR)等產業正在蓬勃發展，這些應用正在推動3D傳感的應用，提高功率模塊效率和更高頻率的通信應用，而所有這些新發展背后的關鍵器件都是由第三代碳化硅半導體制造而成。
不過，氮化鎵和碳化硅器件產品上要實現突破并沒有想象中簡單。據介紹，功率器件的生產在外延片基礎上，要進行薄膜沉積、掩模光刻、離子注入、金屬沉積等等步驟。產品的結構設計和工藝流程設計都是不停嘗試，不斷積累，最終才能生產出滿足客戶需求的產品。而對國內企業來說，根據客戶的需求，定制化研發和量產碳化硅產品是最薄弱的環節。
作為一家初創企業，派恩杰目前采用代工方式生產相關產品。不過他們把目光放得更長遠，派恩杰正在籌劃在國內建成自己的產線，計劃年流片能力6萬片碳化硅6英寸芯片，年產值在20億人民幣左右。“產線落地之后，可以實現碳化硅功率器件生產的完全國有自主可控。”黃興說。碳化硅材料實現量產后，將打破國外壟斷，推動國內5G芯片技術和生產能力的提升。