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第三代半導(dǎo)體材料GaN和SiC:國產(chǎn)應(yīng)用新布局

發(fā)布時(shí)間:2022-03-17作者來源:薩科微瀏覽:2454

前言

第三代半導(dǎo)體材料具有優(yōu)越的性能和能帶結(jié)構(gòu),廣泛應(yīng)用于射頻器件、光電器件、功率器件等制造,目前已逐漸滲透5G通信、PD快充和新能源汽車等新興領(lǐng)域市場,被認(rèn)為是半導(dǎo)體行業(yè)的重要發(fā)展方向。但不可否認(rèn),目前GaN和SiC材料技術(shù)難點(diǎn)問題仍然存在,國產(chǎn)替代程度不高,成本依舊居高不下等情況困擾著國內(nèi)第三代半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)程。作為提高產(chǎn)品效率和功率密度的重點(diǎn)材料,第三代半導(dǎo)體材料GaN和SiC當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r備受關(guān)注。

   2018-2030年全球GaN電力電子器件應(yīng)用領(lǐng)域的演進(jìn)        SiC應(yīng)用場景

GaN和SiC材料的技術(shù)難點(diǎn)和特點(diǎn)

目前,第三代半導(dǎo)體材料GaN和SiC已經(jīng)得到了市場認(rèn)可和高度關(guān)注。在功率半導(dǎo)體的范疇,業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為,除了LED發(fā)光和射頻,第三代半導(dǎo)體材料SiC的技術(shù)難點(diǎn)主要在于襯底缺陷的控制。當(dāng)前低缺陷密度的襯底材料主要是歐美及日本廠商生產(chǎn),國內(nèi)想要突破還需要相當(dāng)長的一段時(shí)間。

同時(shí)第三代半導(dǎo)體材料SiC工藝控制難度高、產(chǎn)品批次性波動(dòng)大導(dǎo)致良率偏低以及主要材料供應(yīng)被壟斷,甚至推導(dǎo)到市場價(jià)格一直居高不下,目前只限定在部分應(yīng)用市場。但相比SiC更低損耗、更高效率以及高電壓耐高溫等一系列自身特點(diǎn)而言,第三代半導(dǎo)體材料SiC的應(yīng)用已經(jīng)開始改變更多行業(yè)。

與SiC不同,GaN相對比較復(fù)雜。GaN并不是真正意義上的MOSFET,而是HEMT(高電子遷移率晶體管),其開關(guān)特性具有MOSFET相近的功能。GaN HEMT是平面導(dǎo)電結(jié)構(gòu),不依賴于襯底,可以在藍(lán)寶石或者硅襯底上都能實(shí)現(xiàn),但它難以實(shí)現(xiàn)常閉型器件。珠海鎵未來科技有限公司(簡稱“鎵未來”)市場總監(jiān)張大江認(rèn)為,解決方案有兩種:一種是在柵極加入P型摻雜,阻斷二維電子氣,實(shí)現(xiàn)常閉功能;另一種是在源極串聯(lián)低壓MOSFET,通過控制低壓MOSFET來提供GaN柵極的負(fù)壓關(guān)斷,其好處是MOSFET的驅(qū)動(dòng)抗干擾能力強(qiáng)。

除此之外,第三代半導(dǎo)體材料GaN目前的技術(shù)難點(diǎn)還來自于其他多方面。工藝的難度上,GaN材料面臨器件良率與一致性以及可靠性等問題的挑戰(zhàn);對于氮化鎵企業(yè)來說,怎么能完善測試內(nèi)容與流程用最快最準(zhǔn)確的方式替客戶篩查出工作良好的器件;GaN的高耐熱,耐高頻,低Vth等特性注定了它與傳統(tǒng)硅器件不一樣的封裝方向;同時(shí)應(yīng)用上,第三代半導(dǎo)體材料GaN的加入顛覆了傳統(tǒng)的電源行業(yè),新的電源行業(yè)對PWM控制芯片、變壓器產(chǎn)商等都有了更高的要求。

記者了解到,成都氮矽科技有限公司(簡稱“氮矽科技”)經(jīng)過長時(shí)間的研究與實(shí)踐,自建一套完善的測試線,不但能為客戶選出工作正常的器件,而且能將器件劃分等級,為客戶提供能達(dá)到要求的高性價(jià)比產(chǎn)品,并用大量的實(shí)踐測試數(shù)據(jù)幫助代工廠的工藝發(fā)展提供改進(jìn)方向。另一方面,氮矽科技大力研究先進(jìn)封裝與合封技術(shù),增強(qiáng)GaN器件的性能和易用性;同時(shí)聯(lián)系各大變壓器與PWM芯片等廠商合作開發(fā)方案。

芯珉微電子(上海)有限公司(簡稱“芯珉”)CEO苑維旺認(rèn)為,GaN與硅器件類似,高溫下打通內(nèi)阻表現(xiàn)出2倍以上系數(shù)的增加,與硅器件不同的是,開關(guān)過程中,額外的電應(yīng)力導(dǎo)致導(dǎo)通內(nèi)阻動(dòng)態(tài)增加。所以GaN器件的技術(shù)難點(diǎn)主要在于,如何處理隨著使用時(shí)間和環(huán)境溫度的不同而導(dǎo)致的內(nèi)阻不同,具體表現(xiàn)為:

一:RDson隨著溫度的上升,呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài),如下圖:

 

二:RDson隨著時(shí)間的推移,也表現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài),如下圖:

 

基于上述GaN器件的問題,其解決方案是:綜合考慮熱電應(yīng)力的因素,考慮使用3-3.5倍的RDson裕量設(shè)計(jì)。SiC器件,在當(dāng)前的肖特基二極管上應(yīng)用已經(jīng)基本成熟,主要問題在于SiC MOSFET的穩(wěn)定性上面,還需要長期的工藝調(diào)試和摸索,技術(shù)難度已經(jīng)基本克服。

除PD快充,GaN往大功率電源進(jìn)攻

鎵未來是國內(nèi)領(lǐng)先的GaN功率器件生產(chǎn)企業(yè),致力于Cascode結(jié)構(gòu)GaN產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)。據(jù)介紹,該結(jié)構(gòu)結(jié)合了硅器件的易用性和GaN器件的高頻率高效率的特點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)10KW的高功率密度電源解決方案,產(chǎn)品主要用于大功率服務(wù)器電源,基站電源等。最近,鎵未來針對于快充應(yīng)用,推出兩款小尺寸貼片cascode GaN器件,G1N65R240PB 和 G1N65R480PA,分別對應(yīng)65W和33W快充應(yīng)用,以其強(qiáng)壯的抗干擾能力和簡易的驅(qū)動(dòng)方式,助力用戶實(shí)現(xiàn)簡潔高效的GaN快充設(shè)計(jì)。

目前氮矽科技的GaN功率器件在PD與LED電源等消費(fèi)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)逐漸成熟。白色家電,以及數(shù)據(jù)中心、光伏等工業(yè)類,甚至是汽車電子領(lǐng)域的廠商陸續(xù)對氮矽科技的GaN功率器件表現(xiàn)出了濃厚的興趣。據(jù)悉,未來,氮矽科技產(chǎn)品將配合自研GaN驅(qū)動(dòng)芯片逐步布局更大功率,更穩(wěn)定的GaN功率器件與模組市場。

記者了解,芯珉GaN功率MOS,主要應(yīng)用于超級快充,LED電源和小型化高密度電源。其中超級快充是傳統(tǒng)GaN的主要市場,而LED電源、小型化高密度電源,比如斷路器、微型基站電源是一個(gè)創(chuàng)新領(lǐng)域,也是芯珉接下來的主要布局市場。

PD快充作為第三代半導(dǎo)體材料GaN的主要市場,已經(jīng)逐漸成熟,而未來,LED、基站、服務(wù)器等大功率電源或?qū)⒊蔀镚aN材料的熱門應(yīng)用市場。

SiC將在車載電源市場大放異彩

深圳美浦森半導(dǎo)體有限公司(簡稱“美浦森”)從成立之初就一直致力于第三代半導(dǎo)體材料SiC開發(fā)生產(chǎn)和推廣,是國內(nèi)最早研發(fā)及推廣SiC產(chǎn)品公司之一,并形成了硅與SiC的雙結(jié)合,給客戶提供更多穩(wěn)定選擇。目前公司SiC產(chǎn)品已經(jīng)成熟應(yīng)用于PD快充、照明電源、光伏逆變及服務(wù)器電源領(lǐng)域;以電壓段對應(yīng)的不同市場,結(jié)合[敏感詞]制程工藝對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行差異化設(shè)定,使產(chǎn)品更貼合用戶方案設(shè)計(jì)。目前美浦森已經(jīng)批量供應(yīng)SiC MOS超低內(nèi)阻產(chǎn)品,具備與進(jìn)口品牌共享市場的能力,并繼續(xù)投入研發(fā)通過不斷改進(jìn),為客戶帶來更具性價(jià)比的選擇。

 

據(jù)透露,美浦森已經(jīng)在第三代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域積極布局軌道交通、車載電源市場,并與多家國內(nèi)龍頭車商達(dá)成協(xié)議,亦有部分產(chǎn)品已經(jīng)開始上車試驗(yàn)。

目前芯珉的SiC器件,主要應(yīng)用在逆變器上,包含微型逆變器和大功率逆變器。目前芯珉推出的主要產(chǎn)品是SiC肖特基二極管和肖特基模組。據(jù)悉,芯珉未來第三代半導(dǎo)體材料市場將主要在充電樁、服務(wù)器電源等高效率、大功率電源場合進(jìn)行布局。

截至今年,泰科天潤半導(dǎo)體科技(北京)有限公司(簡稱“泰科天潤”)已在SiC芯片領(lǐng)域深耕十年,其產(chǎn)品已經(jīng)廣泛運(yùn)用于工業(yè)類(如大功率LED電源、PC電源、通信電源、光伏逆變器以及充電樁的充電模塊等),車載類電源(如OBC、 DCDC等),消費(fèi)類(如PD快充)市場。

泰科天潤營銷副總秋琪認(rèn)為,未來的電源方向是小型化、輕量化和高功率密度,電動(dòng)汽車等新興領(lǐng)域必然是碳化硅器件的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。因?yàn)殡妱?dòng)汽車電機(jī)電控若采用全碳化硅方案,平均約每6臺(tái)消耗一片碳化硅六寸晶圓,全球預(yù)計(jì)2025年電動(dòng)車數(shù)量將達(dá)到1500萬輛,所以碳化硅功率器件最強(qiáng)大的成長動(dòng)力也在新能源汽車。

新能源汽車需要大量的汽車電子和電氣的器件。這些器件對整機(jī)的總價(jià)值、尺寸、總量、動(dòng)態(tài)性能、過載能力、耐用性和可靠性起著十分重要的作用。硅基IGBT作為主導(dǎo)型功率器件,應(yīng)用于新能源汽車中的電機(jī)控制器,而電機(jī)及其控制器約占整車成本的7%-10%,是除電池以外第二高成本的元件,也是決定整車能源效率的關(guān)鍵器件。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)更大功率密度、高可靠,快充功率器件需要具有更強(qiáng)的性能,基于第三代半導(dǎo)體材料SiC的新一代汽車功率器件也將大放異彩。

國產(chǎn)替代的進(jìn)程繼續(xù),成本將會(huì)逐步下降

從2018年的缺貨浪潮,國外大廠步調(diào)一致地重點(diǎn)保供國外客戶,到2020年疫情影響,國外廠商在東南亞生產(chǎn)基地受到嚴(yán)重減產(chǎn)影響,國產(chǎn)品牌廠商多次承擔(dān)交付重任。除此之外,大力發(fā)展第三代半導(dǎo)體提升到國家戰(zhàn)略,結(jié)合國內(nèi)巨大的需求市場,國產(chǎn)化替代有了前所未有的空間,也給了整個(gè)國產(chǎn)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈一次迭代的機(jī)會(huì)。

今年來受惠于國家的支持和國產(chǎn)半導(dǎo)體行業(yè)的不懈努力,國產(chǎn)第三代半導(dǎo)體正在以不可思議的速度高速成長。在第三代半導(dǎo)體方面,國內(nèi)外差距沒有一、二代半導(dǎo)體明顯。就SiC二極管類來說,國內(nèi)產(chǎn)品已經(jīng)基本國產(chǎn)化,并且已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)和汽車領(lǐng)域;在SiC Mosfet方面,國內(nèi)外還有一些差距;在GaN方面,我國的GaN射頻設(shè)備市場規(guī)模正在持續(xù)增長,其主要支柱以及主要增長動(dòng)力為軍備[敏感詞]、無線通信基礎(chǔ)設(shè)施等;在硅基GaN方面,如今主要應(yīng)用于手機(jī)PD快充產(chǎn)品,由于消費(fèi)類產(chǎn)品對成本非常敏感,以及產(chǎn)品自身的技術(shù)門檻低于工業(yè)類與車載類,國內(nèi)外差距在不久之后將不再明顯。

 

苑維旺預(yù)計(jì),在接下來的幾年,SiC肖特基將全面國產(chǎn)化。而SiC MOS當(dāng)前還是和主要以日本的ROHM,美國的cree和歐洲的意法半導(dǎo)體、英飛凌為主,MOS國產(chǎn)化還需要技術(shù)工藝的進(jìn)一步打磨,但長期趨勢還是國產(chǎn)化。

當(dāng)前第三代半導(dǎo)體器件的發(fā)展方向明確,國內(nèi)原廠占據(jù)天時(shí)地利。對于國內(nèi)第三代半導(dǎo)體材料SiC環(huán)境,這兩年受中美貿(mào)易戰(zhàn)、國外疫情以及東南亞封裝廠的停工等外因擠壓下,早年間對國內(nèi)廠商持觀望態(tài)度的國外廠商逐漸敞開懷抱,同時(shí)本土客戶也持開放的態(tài)度與國內(nèi)原廠交流。另一方面,部分國外友商跟歐美車廠之間存在深度綁定,對其他客戶的供應(yīng)能力下降,國內(nèi)的標(biāo)桿客戶由于供應(yīng)不夠,便會(huì)考慮包括國產(chǎn)SiC在內(nèi)的國產(chǎn)半導(dǎo)體。

秋琪認(rèn)為,碳化硅材料從4寸到6寸乃至未來的8寸,第三代半導(dǎo)體材料SiC成本下降從而下沉分割硅的市場。

美浦森產(chǎn)品經(jīng)理?xiàng)钣卤硎?,未來,第三代半?dǎo)體材料與國外大廠的產(chǎn)品差距會(huì)越來越小,直至追趕甚至反超,同時(shí)價(jià)格一定會(huì)越來越接近地氣。氮矽科技市場經(jīng)理柯威相信,在3-5年內(nèi),國內(nèi)GaN功率器件的成本必然會(huì)直逼傳統(tǒng)硅基MOS的價(jià)格,并成為市場新寵兒。

第三代半導(dǎo)體材料國產(chǎn)替代的進(jìn)程依然任重道遠(yuǎn)。苑維旺認(rèn)為,當(dāng)前第三代半導(dǎo)體中,GaN器件仍然以美國的navitas、PI和加拿大的gansystem為主,第三代半導(dǎo)體材料國產(chǎn)替代才剛剛開始,當(dāng)前也主要是消費(fèi)類電子市場進(jìn)行替代,工業(yè)和汽車領(lǐng)域還有很長的路要走。

第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展新方向

眾所周知,采用第三代半導(dǎo)體材料的目的是為了提高產(chǎn)品效率和功率密度。大功率產(chǎn)品主要是Si IGBT向SiC MOSFET發(fā)展,目前在車載應(yīng)用方面已經(jīng)開始全面替換,其效率的提升以及重量的減輕直接提高了電動(dòng)車的續(xù)航能力。而中小功率產(chǎn)品是Si MOSFET向GaN HEMT發(fā)展,主要應(yīng)用是數(shù)據(jù)中心電源及充電適配器。

數(shù)據(jù)中心消耗的能源大概占總發(fā)電量的10%左右,采用第三代半導(dǎo)體材料GaN設(shè)計(jì)的電源能夠使效率提高3到5個(gè)點(diǎn),從而節(jié)省全國千分之三到千分之五的電力消耗。這對于碳中和有非常重要的意義。充電適配器方面,采用氮化鎵可以減少一半的體積,目前基本成為消費(fèi)者的剛需。特別是隨著PD3.1的推出,未來只需要帶上一臺(tái)PD適配器,就可以給任何便攜式電器充電。這將是一個(gè)十億量級的市場。

楊勇認(rèn)為,隨著國家“碳中和”戰(zhàn)略性基調(diào)以及對第三代半導(dǎo)體的持續(xù)支持,未來全球第三代半導(dǎo)體材料SiC消費(fèi)市場中國必定一馬當(dāng)先。同時(shí)隨著國內(nèi)第三代半導(dǎo)體材料SiC制程開始逐漸成熟,并且已經(jīng)穩(wěn)定生產(chǎn),相信不遠(yuǎn)可從根本上解決第三代半導(dǎo)體材料問題。

國產(chǎn)化趨勢不可阻擋,第三代半導(dǎo)體是國家彎道超車的主要產(chǎn)品,隨著工藝的進(jìn)步,將有非常廣闊的市場空間。“第三代半導(dǎo)體材料不僅僅在于SiC和GaN,砷化鎵(GaAs)等化合物也是未來的重要力量,在當(dāng)前的5G PA、電力線寬帶載波等領(lǐng)域都將有廣闊的應(yīng)用?!痹肪S旺表示。

結(jié)語

受國家政策和半導(dǎo)體行業(yè)的支持推動(dòng),以GaN和SiC為代表的第三代半導(dǎo)體材料,已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的重要關(guān)注對象。特別是在PD快充與新能源汽車領(lǐng)域,第三代半導(dǎo)體材料GaN和SiC的使用極大地推動(dòng)了產(chǎn)品革新與迭代。針對目前國產(chǎn)替代現(xiàn)狀,隨著國內(nèi)廠商不斷研發(fā)創(chuàng)新,突破技術(shù)難點(diǎn),國內(nèi)第三代半導(dǎo)體行業(yè)的位置將占有一席之地;同時(shí)隨著襯底和外延片尺寸的增加和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,第三代半導(dǎo)體材料成本也將有所下降,于更大功率電源的智能電網(wǎng)、軌道交通等諸多領(lǐng)域都會(huì)看到GaN和SiC等第三代半導(dǎo)體材料的亮眼身影。



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