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第三代半導體材料GaN和SiC:國產應用新布局
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第三代半導體材料GaN和SiC:國產應用新布局

2021-10-29 09:55:42 來源:半導體器件應用網 點擊:92540

【嗶哥嗶特導讀】截至目前,第三代半導體材料的應用已經進入人們的日常工作和生活當中,特別是GaN和SiC。未來,除了PD快充和新能源汽車等熱門應用市場,國產的GaN和SiC材料應用將會有新的市場逐步出現。

前言

第三代半導體材料具有優越的性能和能帶結構,廣泛應用于射頻器件、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域市場,被認為是半導體行業的重要發展方向。但不可否認,目前GaN和SiC材料技術難點問題仍然存在,國產替代程度不高,成本依舊居高不下等情況困擾著國內第三代半導體行業進程。作為提高產品效率和功率密度的重點材料,第三代半導體材料GaN和SiC當前的發展狀況備受關注。

第三代半導體材料GaN和SiC:國產應用新布局

2018-2030年全球GaN電力電子器件應用領域的演進

第三代半導體材料GaN和SiC:國產應用新布局

SiC應用場景

GaN和SiC材料的技術難點和特點

目前,第三代半導體材料GaN和SiC已經得到了市場認可和高度關注。在功率半導體的范疇,業內人士認為,除了LED發光和射頻,第三代半導體材料SiC的技術難點主要在于襯底缺陷的控制。當前低缺陷密度的襯底材料主要是歐美及日本廠商生產,國內想要突破還需要相當長的一段時間。

同時第三代半導體材料SiC工藝控制難度高、產品批次性波動大導致良率偏低以及主要材料供應被壟斷,甚至推導到市場價格一直居高不下,目前只限定在部分應用市場。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而言,第三代半導體材料SiC的應用已經開始改變更多行業。

與SiC不同,GaN相對比較復雜。GaN并不是真正意義上的MOSFET,而是HEMT(高電子遷移率晶體管),其開關特性具有MOSFET相近的功能。GaN HEMT是平面導電結構,不依賴于襯底,可以在藍寶石或者硅襯底上都能實現,但它難以實現常閉型器件。珠海鎵未來科技有限公司(簡稱“鎵未來”)市場總監張大江認為,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,實現常閉功能;另一種是在源極串聯低壓MOSFET,通過控制低壓MOSFET來提供GaN柵極的負壓關斷,其好處是MOSFET的驅動抗干擾能力強。

除此之外,第三代半導體材料GaN目前的技術難點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;對于氮化鎵企業來說,怎么能完善測試內容與流程用最快最準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硅器件不一樣的封裝方向;同時應用上,第三代半導體材料GaN的加入顛覆了傳統的電源行業,新的電源行業對PWM控制芯片、變壓器產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”)經過長時間的研究與實踐,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,為客戶提供能達到要求的高性價比產品,并用大量的實踐測試數據幫助代工廠的工藝發展提供改進方向。另一方面,氮矽科技大力研究先進封裝與合封技術,增強GaN器件的性能和易用性;同時聯系各大變壓器與PWM芯片等廠商合作開發方案。

芯珉微電子(上海)有限公司(簡稱“芯珉”)CEO苑維旺認為,GaN與硅器件類似,高溫下打通內阻表現出2倍以上系數的增加,與硅器件不同的是,開關過程中,額外的電應力導致導通內阻動態增加。所以GaN器件的技術難點主要在于,如何處理隨著使用時間和環境溫度的不同而導致的內阻不同,具體表現為:

一:RDson隨著溫度的上升,呈現不穩定狀態,如下圖:

第三代半導體材料GaN和SiC:國產應用新布局

二:RDson隨著時間的推移,也表現出不穩定狀態,如下圖:

第三代半導體材料GaN和SiC:國產應用新布局

基于上述GaN器件的問題,其解決方案是:綜合考慮熱電應力的因素,考慮使用3-3.5倍的RDson裕量設計。SiC器件,在當前的肖特基二極管上應用已經基本成熟,主要問題在于SiC MOSFET的穩定性上面,還需要長期的工藝調試和摸索,技術難度已經基本克服。

除PD快充,GaN往大功率電源進攻

鎵未來是國內領先的GaN功率器件生產企業,致力于Cascode結構GaN產品的研發和生產。據介紹,該結構結合了硅器件的易用性和GaN器件的高頻率高效率的特點,可以實現高達10KW的高功率密度電源解決方案,產品主要用于大功率服務器電源,基站電源等。最近,鎵未來針對于快充應用,推出兩款小尺寸貼片cascode GaN器件,G1N65R240PB 和 G1N65R480PA,分別對應65W和33W快充應用,以其強壯的抗干擾能力和簡易的驅動方式,助力用戶實現簡潔高效的GaN快充設計。

目前氮矽科技的GaN功率器件在PD與LED電源等消費領域的應用已經逐漸成熟。白色家電,以及數據中心、光伏等工業類,甚至是汽車電子領域的廠商陸續對氮矽科技的GaN功率器件表現出了濃厚的興趣。據悉,未來,氮矽科技產品將配合自研GaN驅動芯片逐步布局更大功率,更穩定的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創新領域,也是芯珉接下來的主要布局市場。

PD快充作為第三代半導體材料GaN的主要市場,已經逐漸成熟,而未來,LED、基站、服務器等大功率電源或將成為GaN材料的熱門應用市場。

SiC將在車載電源市場大放異彩

深圳美浦森半導體有限公司(簡稱“美浦森”)從成立之初就一直致力于第三代半導體材料SiC開發生產和推廣,是國內最早研發及推廣SiC產品公司之一,并形成了硅與SiC的雙結合,給客戶提供更多穩定選擇。目前公司SiC產品已經成熟應用于PD快充、照明電源、光伏逆變及服務器電源領域;以電壓段對應的不同市場,結合最新制程工藝對關鍵參數進行差異化設定,使產品更貼合用戶方案設計。目前美浦森已經批量供應SiC MOS超低內阻產品,具備與進口品牌共享市場的能力,并繼續投入研發通過不斷改進,為客戶帶來更具性價比的選擇。

第三代半導體材料GaN和SiC:國產應用新布局

據透露,美浦森已經在第三代半導體材料領域積極布局軌道交通、車載電源市場,并與多家國內龍頭車商達成協議,亦有部分產品已經開始上車試驗。

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

截至今年,泰科天潤半導體科技(北京)有限公司(簡稱“泰科天潤”)已在SiC芯片領域深耕十年,其產品已經廣泛運用于工業類(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),消費類(如PD快充)市場。

泰科天潤營銷副總秋琪認為,未來的電源方向是小型化、輕量化和高功率密度,電動汽車等新興領域必然是碳化硅器件的主要應用領域之一。因為電動汽車電機電控若采用全碳化硅方案,平均約每6臺消耗一片碳化硅六寸晶圓,全球預計2025年電動車數量將達到1500萬輛,所以碳化硅功率器件最強大的成長動力也在新能源汽車。

新能源汽車需要大量的汽車電子和電氣的器件。這些器件對整機的總價值、尺寸、總量、動態性能、過載能力、耐用性和可靠性起著十分重要的作用。硅基IGBT作為主導型功率器件,應用于新能源汽車中的電機控制器,而電機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鍵器件。同時為了實現更大功率密度、高可靠,快充功率器件需要具有更強的性能,基于第三代半導體材料SiC的新一代汽車功率器件也將大放異彩。

國產替代的進程繼續,成本將會逐步下降

從2018年的缺貨浪潮,國外大廠步調一致地重點保供國外客戶,到2020年疫情影響,國外廠商在東南亞生產基地受到嚴重減產影響,國產品牌廠商多次承擔交付重任。除此之外,大力發展第三代半導體提升到國家戰略,結合國內巨大的需求市場,國產化替代有了前所未有的空間,也給了整個國產第三代半導體產業鏈一次迭代的機會。

今年來受惠于國家的支持和國產半導體行業的不懈努力,國產第三代半導體正在以不可思議的速度高速成長。在第三代半導體方面,國內外差距沒有一、二代半導體明顯。就SiC二極管類來說,國內產品已經基本國產化,并且已經進入工業和汽車領域;在SiC Mosfet方面,國內外還有一些差距;在GaN方面,我國的GaN射頻設備市場規模正在持續增長,其主要支柱以及主要增長動力為軍備國防、無線通信基礎設施等;在硅基GaN方面,如今主要應用于手機PD快充產品,由于消費類產品對成本非常敏感,以及產品自身的技術門檻低于工業類與車載類,國內外差距在不久之后將不再明顯。

第三代半導體材料GaN和SiC:國產應用新布局

苑維旺預計,在接下來的幾年,SiC肖特基將全面國產化。而SiC MOS當前還是和主要以日本的ROHM,美國的cree和歐洲的意法半導體、英飛凌為主,MOS國產化還需要技術工藝的進一步打磨,但長期趨勢還是國產化。

當前第三代半導體器件的發展方向明確,國內原廠占據天時地利。對于國內第三代半導體材料SiC環境,這兩年受中美貿易戰、國外疫情以及東南亞封裝廠的停工等外因擠壓下,早年間對國內廠商持觀望態度的國外廠商逐漸敞開懷抱,同時本土客戶也持開放的態度與國內原廠交流。另一方面,部分國外友商跟歐美車廠之間存在深度綁定,對其他客戶的供應能力下降,國內的標桿客戶由于供應不夠,便會考慮包括國產SiC在內的國產半導體。

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

美浦森產品經理楊勇表示,未來,第三代半導體材料與國外大廠的產品差距會越來越小,直至追趕甚至反超,同時價格一定會越來越接近地氣。氮矽科技市場經理柯威相信,在3-5年內,國內GaN功率器件的成本必然會直逼傳統硅基MOS的價格,并成為市場新寵兒。

第三代半導體材料國產替代的進程依然任重道遠。苑維旺認為,當前第三代半導體中,GaN器件仍然以美國的navitas、PI和加拿大的gansystem為主,第三代半導體材料國產替代才剛剛開始,當前也主要是消費類電子市場進行替代,工業和汽車領域還有很長的路要走。

第三代半導體材料發展新方向

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

數據中心消耗的能源大概占總發電量的10%左右,采用第三代半導體材料GaN設計的電源能夠使效率提高3到5個點,從而節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,目前基本成為消費者的剛需。特別是隨著PD3.1的推出,未來只需要帶上一臺PD適配器,就可以給任何便攜式電器充電。這將是一個十億量級的市場。

楊勇認為,隨著國家“碳中和”戰略性基調以及對第三代半導體的持續支持,未來全球第三代半導體材料SiC消費市場中國必定一馬當先。同時隨著國內第三代半導體材料SiC制程開始逐漸成熟,并且已經穩定生產,相信不遠可從根本上解決第三代半導體材料問題。

國產化趨勢不可阻擋,第三代半導體是國家彎道超車的主要產品,隨著工藝的進步,將有非常廣闊的市場空間。“第三代半導體材料不僅僅在于SiC和GaN,砷化鎵(GaAs)等化合物也是未來的重要力量,在當前的5G PA、電力線寬帶載波等領域都將有廣闊的應用。”苑維旺表示。

結語

受國家政策和半導體行業的支持推動,以GaN和SiC為代表的第三代半導體材料,已經成為半導體行業發展的重要關注對象。特別是在PD快充與新能源汽車領域,第三代半導體材料GaN和SiC的使用極大地推動了產品革新與迭代。針對目前國產替代現狀,隨著國內廠商不斷研發創新,突破技術難點,國內第三代半導體行業的位置將占有一席之地;同時隨著襯底和外延片尺寸的增加和生產規模的擴大,第三代半導體材料成本也將有所下降,于更大功率電源的智能電網、軌道交通等諸多領域都會看到GaN和SiC等第三代半導體材料的亮眼身影。

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