集微網(wǎng) （文/陳炳欣）隨著集成電路芯片的晶體管密度越來越接近物理極限，單純依靠改進制程來改善性能已經(jīng)變得越來越困難，如何發(fā)展“后摩爾時代”的集成電路產(chǎn)業(yè)，全球都在積極尋找新技術(shù)、新方法、新路徑和新思路。以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料具有高擊穿電嘗高電子遷移率、高熱導(dǎo)率、高抗輻射等特點，適合制造高性能的功率半導(dǎo)體器件，成為功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的熱點。
派恩杰半導(dǎo)體是國內(nèi)第三代半導(dǎo)體功率器件的領(lǐng)先品牌，擁有深厚的技術(shù)底蘊和供應(yīng)鏈優(yōu)勢，創(chuàng)始人黃興博士師承IGBT發(fā)明人Dr. B.Jayant Baliga與ETO晶閘管發(fā)明人Dr.AlexQ.Huang，并于2009年起深耕碳化硅和氮化鎵功率器件的設(shè)計和研發(fā)，對產(chǎn)業(yè)有著深入洞察。派恩杰半導(dǎo)體擁有國內(nèi)最全的碳化硅功率器件產(chǎn)品目錄，可以滿足用戶各種應(yīng)用場景的需求。近日，愛集微采訪了黃興博士，討論第三代半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)趨勢和企業(yè)運營思路，探尋做強中國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路徑。
信心：十年后碳化硅將替代IGBT
在經(jīng)歷了上一輪“缺芯潮”之后，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進入一個相對漫長的下行周期，大多數(shù)半導(dǎo)體公司遭受市場壓力。第三代半導(dǎo)體則是其中難得的一抹亮色。從2021年-2022年起，碳化硅等器件便進入供應(yīng)短缺狀態(tài)，至今依然沒有得到完全緩解。發(fā)展碳化硅等第三代半導(dǎo)體受到越來越多人們的重視。
黃興在接受采訪時表示，當前需求疲弱的市場狀況可能會延續(xù)到2024年上半年。但即便如此，黃興也堅定看好第三代半導(dǎo)體市常“盡管儲能、光伏、消費的需求有所減緩，但是汽車應(yīng)用對碳化硅器件的需求依然強勁。隨著襯底原材料價格的下行，以及碳化硅技術(shù)性能的不斷提升，車廠反而會在更多項目中采用碳化硅器件。這種趨勢在派恩杰與歐洲車廠、亞洲海外車廠進行的一些預(yù)研型項目開發(fā)中感受十分明顯。”
就規(guī)模來看，目前碳化硅功率器件的最主要應(yīng)用仍然是車載應(yīng)用，派恩杰自2021年底就一直在向國內(nèi)的車企批量供應(yīng)碳化硅功率器件，產(chǎn)品性能與質(zhì)量得到廣泛認可。光伏、儲能等領(lǐng)域的市場規(guī)模相對較小，派恩杰在這些應(yīng)用領(lǐng)域也有相當規(guī)模的客戶訂單。因此，只要車用市場穩(wěn)定增長，其他市場即使有所下滑，也尚不至于影響大局。當前阻礙碳化硅等器件進一步普及的主要問題就是良率和成本。
分析整個產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)可以發(fā)現(xiàn)，碳化硅的原材料是高純硅粉加高純碳粉，來源十分大眾，價格低廉。但從硅粉碳粉到單晶，良率估算只有30%左右；從單晶的切磨拋、長外延，再經(jīng)過十幾道光刻，最后加工成器件，整個過程的良率也很低；最終篩選出來能合格上車的，又只有50%。綜合計算，整個產(chǎn)業(yè)鏈良率只有10%-20%。這是導(dǎo)致當前碳化硅等第三代半導(dǎo)體器件價格高昂、產(chǎn)能瓶頸的主要原因。
如果人們能夠通過技術(shù)迭代、工藝精進，把良率提升上來，碳化硅就有著充分的降本空間，即使加上大量工藝程序的成本加成，整個流片成本也不會比IGBT更高。值得注意的是，碳化硅器件的功率密度更高，載流能力更強，且芯片面積要遠小于同規(guī)格的IGBT。再加上碳化硅的魯棒性更好，使用起來更加簡單，相信未來碳化硅器件一定會逐步替代IGBT。
黃興預(yù)計大約10年以后，IGBT的大部分市場份額會被碳化硅器件替代。黃興同樣看好氮化鎵的市場前景，氮化鎵無論是被做成LED器件，應(yīng)用于照明領(lǐng)域，還是被用作射頻功放器件，應(yīng)用于射頻雷達、5G通信等，都有廣大的市場空間。研究機構(gòu)的數(shù)據(jù)也支持了黃興的判斷。根據(jù)Yole Intelligence發(fā)布的2023年版《功率碳化硅報告》，碳化硅行業(yè)近年實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的增長，預(yù)計到2028年全球功率碳化硅器件市場將增長至近90億美元。正是由于看到市場前景廣闊，黃興才決心投身于第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)當中，做出一番事業(yè)。
當然，如果進一步觀察黃興的成長歷程又會發(fā)現(xiàn)，那些求學(xué)經(jīng)歷、從業(yè)經(jīng)歷，都讓黃興與碳化硅、氮化鎵結(jié)下了不解之緣。它們也是推動著黃興投身碳化硅與氮化鎵的創(chuàng)新研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要動力。
求學(xué)：既重視學(xué)術(shù)也重視應(yīng)用
黃興博士本科就讀于成都電子科技大學(xué)。當時的成都電子科技大學(xué)在功率器件科研方面已經(jīng)有了深厚積累。陳星弼院士領(lǐng)銜的電子薄膜與集成器件國家重點實驗室就歸屬于成都電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院。陳星弼院士開發(fā)的超結(jié)結(jié)構(gòu)(Super Junction)打破了傳統(tǒng)“硅極限”。這項發(fā)明專利的成功轉(zhuǎn)讓也是我國第一例在國際知識產(chǎn)權(quán)訴訟中獲得勝利的案例。入讀成都電子科技大學(xué)為黃興的碳化硅探索之路打開了一扇大門。
2007年-2008年，黃興被推薦到陳星弼院士一位早年的學(xué)生，同時也是ETO晶閘管發(fā)明人，美國北卡州立大學(xué)Dr.AlexQ.Huang教授那里深造。
（左）黃興博士（右）Dr.Alex Q.Huang
AlexQ.Huang承擔了美國自然科學(xué)基金（NSF）支持的一個與智能電網(wǎng)相關(guān)的科研項目，愿景是把新能源和傳統(tǒng)能源所發(fā)的電力統(tǒng)一集成到一張電網(wǎng)上面，組成一張能源網(wǎng)絡(luò)，并以此為基礎(chǔ)為每家每戶提供靈活的電網(wǎng)服務(wù)。黃興來到北卡州立大學(xué)之后，便加入這個項目當中。
碳化硅器件的研究是這個智能電網(wǎng)項目下的一個子課題。因為智能電網(wǎng)的母線電壓比較高，美國的標準為7.6千伏，課題的目標是開發(fā)出可以承受這一高電壓的碳化硅晶閘管，對電網(wǎng)實施雙向保護。該課題是由AlexQ.Huang與IGBT發(fā)明者Dr.B.Jayant Baliga合作申請研究，因此黃興可以同時師從兩位功率半導(dǎo)體學(xué)界大咖，也為其打下了堅實的學(xué)術(shù)基矗
在北卡州立大學(xué)的學(xué)習(xí)研究，還讓黃興獲得了許多與當時美國碳化硅產(chǎn)業(yè)界接觸的機會。CREE、ABB等公司都是北卡州立大學(xué)的校友企業(yè)，給予了項目很多支持。在與CREE等公司員工的交流過程中，黃興明顯感受到，碳化硅技術(shù)正處在一個從實驗室到產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵節(jié)點上。當時，美國政府對碳化硅產(chǎn)業(yè)化的支持也很多。美國能源部曾啟動一個1.4億美元的項目，希望將碳化硅、氮化鎵器件的總體成本降下來，促進產(chǎn)業(yè)化落地。黃興兩位導(dǎo)師申請的項目便被納入這個大項目當中。在這些項目的共同推動下，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)取得了快速發(fā)展。
這些經(jīng)歷都使黃興清晰意識到，應(yīng)用對推動一項新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的作用是多么關(guān)鍵。要想把一項新技術(shù)發(fā)展起來，不能僅埋頭在實驗室里做學(xué)問，在重視技術(shù)開發(fā)創(chuàng)新的同時，也要重視應(yīng)用。“雖然當時我是做半導(dǎo)體器件開發(fā)的，但是我一直非常關(guān)注應(yīng)用。因為我發(fā)現(xiàn)一項新技術(shù)，理論上的性能、效益很高，但真正被用戶接受并不是一件容易的事情。想要真正用好碳化硅，充分發(fā)揮碳化硅的性能優(yōu)勢，不但要細致研究驅(qū)動電路、EMC、熱管理等問題，還要研究如何通過碳化硅器件的性能優(yōu)勢對變換器整體進行優(yōu)化設(shè)計，這些都是與應(yīng)用相關(guān)的知識。我覺得從B.Jayant Baliga和AlexQ.Huang兩位導(dǎo)師身上學(xué)到的最重要的東西，就是重視下游應(yīng)用。我們做半導(dǎo)體的不僅要懂材料、懂工藝、懂設(shè)計，更重要的是還要懂應(yīng)用。”黃興說。
創(chuàng)業(yè)：要做好“從0到1”的事情
從進入北卡州立大學(xué)學(xué)習(xí)研究，到進入企業(yè)進行產(chǎn)品開發(fā)，黃興在碳化硅產(chǎn)業(yè)化的很多關(guān)鍵節(jié)點上，都是一個親歷者。黃興在領(lǐng)略碳化硅等第三代半導(dǎo)體魅力的同時，也逐漸樹立起要把它們當成一項事業(yè)去做的信念。
2017年，一則消息在碳化硅行業(yè)內(nèi)流傳，且影響深遠ST和特斯拉合作，把碳化硅器件應(yīng)用到了汽車之上。“當時看到這個消息，我一下就覺得終于找到應(yīng)用了。雖然當時碳化硅器件的售價還是很高，但這卻屬于剛需，因為采用碳化硅節(jié)省掉的電池成本遠遠比花在碳化硅上的錢要多得多。這也意味著碳化硅器件有了落地的基矗一個商業(yè)上的閉環(huán)得以確立。”黃興指出。在這些契機的作用下，黃興萌生了回國創(chuàng)業(yè)的念頭，希望通過自身的努力填補國內(nèi)碳化硅等第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的空白。由此又開啟了另一段人生。
回國創(chuàng)業(yè)，黃興發(fā)現(xiàn)中國市場的機會甚至要比美國還多。當時美國的碳化硅領(lǐng)域已經(jīng)形成幾家大型公司，比如CREE、安森美等。相反2017年-2018年國內(nèi)還沒有形成一家碳化硅龍頭企業(yè)，卻又有著數(shù)量眾多的智能電動車潛在用戶。
“我看過一本書，大意是說如果你做的不是一件‘從0到1’的事情，那么這件事從本質(zhì)上講就沒有創(chuàng)業(yè)的意義。”而在黃興眼中，在中國推進碳化硅等第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)顯然是一件從“0”做起的、具有重要意義的工作�；谶@樣的理念，黃興希望將派恩杰打造成為一家立足中國市場，可以為全球范圍內(nèi)終端用戶提供最好碳化硅產(chǎn)品的公司，最終實現(xiàn)中國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的自主可控。
雖然這個目標帶有一定的“本地化”色彩，但是黃興打造的技術(shù)與供應(yīng)鏈系統(tǒng)卻是非常國際化的。在碳化硅器件品質(zhì)與性能方面，派恩杰受到用戶的高度認可，這不僅是在中國市場，在海外市場上同樣如此。分析派恩杰的訂單構(gòu)成就會發(fā)現(xiàn)，其中有許多是來自海外的充電樁項目、激光電源項目，以及車廠訂單等。黃興希望將國際領(lǐng)先的技術(shù)與全球化的供應(yīng)鏈系統(tǒng)落地到中國市場，進而推動中國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的成長。
黃興的海外學(xué)術(shù)經(jīng)歷與工作經(jīng)驗使其在運營公司時更加得心應(yīng)手，高屋建瓴。黃興很早就認識到，功率器件領(lǐng)域其實也有著類似的摩爾定律，只不過功率器件是在微米尺度上進行工藝的微縮。伴隨工藝微縮的是產(chǎn)品性能不斷提高，成本不斷降低。比如CREE的第一代產(chǎn)品工藝約為十幾微米，第二代已演進到8-9微米，第三代6微米，3.5代是5.5微米，今后還將繼續(xù)向下不斷演進。
在行業(yè)發(fā)展初期，國內(nèi)企業(yè)對這一產(chǎn)業(yè)規(guī)律的認識還比較薄弱，對器件的工藝技術(shù)開發(fā)重視程度不夠。派恩杰卻早早就在先進工藝上進行布局。2019年推出的第一款量產(chǎn)碳化硅場效應(yīng)管達到4.8微米，并于2020年通過車規(guī)認證。這也是全球首款5微米以下的平面柵功率器件，其性能在多個應(yīng)用場景下比國際大廠的產(chǎn)品表現(xiàn)更好。而根據(jù)派恩杰的技術(shù)路線圖，下一代產(chǎn)品工藝將推進到3.x微米，再下一代為2.x微米。
“在推動碳化硅技術(shù)進步時，在一定程度上我們完全可以借鑒硅基集成電路的發(fā)展歷史。只不過功率器件的產(chǎn)品迭代可能沒有那么快，不是每18個月演進一個節(jié)點，目前大約為4-5年迭代一次，因為它的應(yīng)用場景以工業(yè)制造為主，更新迭代的速度不像消費類產(chǎn)品那么快。”黃興表示。
在推動技術(shù)開發(fā)的同時，黃興也不忘應(yīng)用的發(fā)展。據(jù)了解，派恩杰的產(chǎn)品在國產(chǎn)領(lǐng)域第一批實現(xiàn)上車。目前已經(jīng)向車廠穩(wěn)定供貨超過兩年，累計訂單已達上億元。這使得派恩杰在國際大廠中也有了存在感。“我們在給韓國某大客戶供貨，本來他們是將我們排在第三供的位置上，結(jié)果前兩家都交不上貨，我們被迫成了第一位。”黃興笑著說道。
在氮化鎵產(chǎn)品線方面，派恩杰的進展也很快，目前公司的策略是聚焦于氮化鎵系統(tǒng)性解決方案的打造。公司與IC廠商合作，集成控制IC、功率模塊等，同時考慮安規(guī)、極端工況等問題，最終形成一個相對完整的解決方案，再交給用戶。這使采購門檻降到最低，也受到用戶的歡迎。
黃興認為，技術(shù)創(chuàng)新和對供應(yīng)鏈及品質(zhì)的把控是派恩杰的核心競爭力，因為供應(yīng)鏈與品質(zhì)是汽車和工業(yè)級客戶最看重的兩個方面。一直以來，派恩杰的供應(yīng)鏈戰(zhàn)略都是選擇成熟的車規(guī)級供應(yīng)商，并且嚴格管控供應(yīng)商的質(zhì)量體系�；谶@樣的供應(yīng)鏈戰(zhàn)略，派恩杰的碳化硅產(chǎn)品的供應(yīng)能力與質(zhì)量均得到海內(nèi)外客戶的廣泛認可。
未來：為國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展一條路
“幾乎所有新興產(chǎn)業(yè)都是從高端市場向大眾應(yīng)用一步一步普及的。當它在高端市場獲得充分驗證后，才會產(chǎn)生足夠動力向更廣泛的領(lǐng)域擴展延伸。碳化硅正是這樣，在經(jīng)歷了航空航天、大型電網(wǎng)應(yīng)用之后，正在向車用市場普及，下一步將是工業(yè)領(lǐng)域，再下一步可能就是消費市常這幾乎是一個必然的發(fā)展趨勢。我們要做的就是通過技術(shù)迭代與工藝精進，把良率做上去，通過擴大規(guī)模把產(chǎn)量提高，這樣才有可能大幅降低成本，進而擴大應(yīng)用范圍。”海外留學(xué)、工作，并且?guī)煆膰H頂尖學(xué)者的種種經(jīng)歷，使黃興有了更廣闊的國際視野。這些先進經(jīng)驗不僅對派恩杰公司的運營有很強的指導(dǎo)價值，對于國內(nèi)第三代半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展也有指導(dǎo)意義。
下一步，黃興計劃在公司運營上進行一次重大調(diào)整，建設(shè)一座本地化的生產(chǎn)基地。“因為代工廠的產(chǎn)能已經(jīng)逐漸滿足不了公司的需求。而建設(shè)一座本地化的生產(chǎn)基地不僅可以獲得更加穩(wěn)定的產(chǎn)能，還可以把成本降低下來。”黃興告訴記者。
IDM仍是當前國際碳化硅和氮化鎵大廠的主要經(jīng)營模式。但是這種重資產(chǎn)的運營在國內(nèi)卻有更多挑戰(zhàn)。一方面，IDM公司的產(chǎn)品和產(chǎn)能更穩(wěn)定，但是它對現(xiàn)金流的要求也更高，一旦現(xiàn)金流斷裂，公司很容易就會垮掉。另外，如果生產(chǎn)良率無法保證，采取IDM模式也是沒有意義的。因此，這就要求選擇IDM模式的企業(yè)，技術(shù)一定要過硬，整個團隊有相當?shù)倪\營經(jīng)驗，同時確保資金鏈不能出現(xiàn)問題。
這些挑戰(zhàn)黃興十分了解。但同時他也清楚，IDM是當前行業(yè)發(fā)展的主流模式，是解決碳化硅低良率、高成本問題的發(fā)展方向。黃興希望在這方面為國內(nèi)產(chǎn)業(yè)出一條道路來。
在談到行業(yè)面臨最大挑戰(zhàn)時，黃興認為資本的無序投資是一個較為嚴重問題。當一個賽道比較火熱的時候，往往吸引資本一窩蜂地投過去。熱錢的進入固然能推高行業(yè)熱度，卻也會給正常發(fā)展帶來影響，扶持低端產(chǎn)能，導(dǎo)致價格戰(zhàn)，擾亂用戶判斷等。另外，熱錢的涌入也會導(dǎo)致人才流動的混亂。在非專業(yè)資本的加持下，不同公司相互挖角，往往造成新的團隊組織不起來，老的團隊又被挖散架。典型的“新樹不開花，老樹不結(jié)果”。
盡管挑戰(zhàn)很多，黃興卻對中國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的未來帶有極大信心。因為中國有著得天獨厚的產(chǎn)業(yè)環(huán)境，無論快速增長的電動汽車工業(yè)，還是廣闊的下游需求市場，都是助推產(chǎn)業(yè)騰飛的基矗“我覺得整個行業(yè)正在進入下半場階段。企業(yè)最關(guān)鍵的就是擴大規(guī)模和持續(xù)進行技術(shù)的更新迭代。突破良率瓶頸，真正將器件成本降下來，實現(xiàn)彎道超車并不是一句空話。”
同時，黃興也強調(diào)，從政府到產(chǎn)業(yè)界，再到投資界都應(yīng)當冷靜對待當前的發(fā)展機遇，要真正地去研究這個行業(yè)、了解這個行業(yè)，不要讓那些無序的行為擾亂正常的發(fā)展。半導(dǎo)體是真正屬于國之重器的一個產(chǎn)業(yè)，國家既要扶持，更要建立一個有序的競爭環(huán)境，讓企業(yè)在一個健康的環(huán)境中成長。扶持的重點，不是已經(jīng)進入成熟期的大型企業(yè)，恰恰是那些創(chuàng)新型的中小企業(yè)。對于一個新興行業(yè)來說，創(chuàng)新才是最重要的，而中小企業(yè)往往最具有創(chuàng)新精神。國家應(yīng)當鼓勵創(chuàng)新，營造一個比拼創(chuàng)新的產(chǎn)業(yè)環(huán)境，而不是單純地比拼價格，看誰最終能把誰卷死。
采訪最后談到社會責任。黃興表示：“企業(yè)家的社會責任是多方面的，一方面開發(fā)的產(chǎn)品要能給社會帶來價值，另一方面還應(yīng)具備文化上的輸出，要讓整個社會更清晰地理解怎么樣才算是做好一個高科技產(chǎn)業(yè)。”當半導(dǎo)體行業(yè)進入“后摩爾時代”，發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已是大勢所趨，也是中國實現(xiàn)彎道超車的最佳時機。作為投身于這一領(lǐng)域的企業(yè)家就應(yīng)當有決心擔負起社會責任，為振興中國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)探索出一條可行的道路。
