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第三代半导体材料GaN和SiC:国产应用新布局
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第三代半导体材料GaN和SiC:国产应用新布局

2021-10-29 09:55:42 来源:半导体器件应用网 点击:15754

【哔哥哔特导读】截至目前,第三代半导体材料的应用已经进入人们的日常工作和生活当中,特别是GaN和SiC。未来,除了PD快充和新能源汽车等热门应用市场,国产的GaN和SiC材料应用将会有新的市场逐步出现。

前言

第三代半导体材料具有优越的性能和能带结构,广泛应用于射频器件、光电器件、功率器件等制造,目前已逐渐渗透5G通信、PD快充和新能源汽车等新兴领域市场,被认为是半导体行业的重要发展方向。但不可否认,目前GaN和SiC材料技术难点问题仍然存在,国产替代程度不高,成本依旧居高不下等情况困扰着国内第三代半导体行业进程。作为提高产品效率和功率密度的重点材料,第三代半导体材料GaN和SiC当前的发展状况备受关注。

第三代半导体材料GaN和SiC:国产应用新布局

2018-2030年全球GaN电力电子器件应用领域的演进

第三代半导体材料GaN和SiC:国产应用新布局

SiC应用场景

GaN和SiC材料的技术难点和特点

目前,第三代半导体材料GaN和SiC已经得到了市场认可和高度关注。在功率半导体的范畴,业内人士认为,除了LED发光和射频,第三代半导体材料SiC的技术难点主要在于衬底缺陷的控制。当前低缺陷密度的衬底材料主要是欧美及日本厂商生产,国内想要突破还需要相当长的一段时间。

同时第三代半导体材料SiC工艺控制难度高、产品批次性波动大导致良率偏低以及主要材料供应被垄断,甚至推导到市场价格一直居高不下,目前只限定在部分应用市场。但相比SiC更低损耗、更高效率以及高电压耐高温等一系列自身特点而言,第三代半导体材料SiC的应用已经开始改变更多行业。

与SiC不同,GaN相对比较复杂。GaN并不是真正意义上的MOSFET,而是HEMT(高电子迁移率晶体管),其开关特性具有MOSFET相近的功能。GaN HEMT是平面导电结构,不依赖于衬底,可以在蓝宝石或者硅衬底上都能实现,但它难以实现常闭型器件。珠海镓未来科技有限公司(简称“镓未来”)市场总监张大江认为,解决方案有两种:一种是在栅极加入P型掺杂,阻断二维电子气,实现常闭功能;另一种是在源极串联低压MOSFET,通过控制低压MOSFET来提供GaN栅极的负压关断,其好处是MOSFET的驱动抗干扰能力强。

除此之外,第三代半导体材料GaN目前的技术难点还来自于其他多方面。工艺的难度上,GaN材料面临器件良率与一致性以及可靠性等问题的挑战;对于氮化镓企业来说,怎么能完善测试内容与流程用最快最准确的方式替客户筛查出工作良好的器件;GaN的高耐热,耐高频,低Vth等特性注定了它与传统硅器件不一样的封装方向;同时应用上,第三代半导体材料GaN的加入颠覆了传统的电源行业,新的电源行业对PWM控制芯片、变压器产商等都有了更高的要求。

记者了解到,成都氮矽科技有限公司(简称“氮矽科技”)经过长时间的研究与实践,自建一套完善的测试线,不但能为客户选出工作正常的器件,而且能将器件划分等级,为客户提供能达到要求的高性价比产品,并用大量的实践测试数据帮助代工厂的工艺发展提供改进方向。另一方面,氮矽科技大力研究先进封装与合封技术,增强GaN器件的性能和易用性;同时联系各大变压器与PWM芯片等厂商合作开发方案。

芯珉微电子(上海)有限公司(简称“芯珉”)CEO苑维旺认为,GaN与硅器件类似,高温下打通内阻表现出2倍以上系数的增加,与硅器件不同的是,开关过程中,额外的电应力导致导通内阻动态增加。所以GaN器件的技术难点主要在于,如何处理随着使用时间和环境温度的不同而导致的内阻不同,具体表现为:

一:RDson随着温度的上升,呈现不稳定状态,如下图:

第三代半导体材料GaN和SiC:国产应用新布局

二:RDson随着时间的推移,也表现出不稳定状态,如下图:

第三代半导体材料GaN和SiC:国产应用新布局

基于上述GaN器件的问题,其解决方案是:综合考虑热电应力的因素,考虑使用3-3.5倍的RDson裕量设计。SiC器件,在当前的肖特基二极管上应用已经基本成熟,主要问题在于SiC MOSFET的稳定性上面,还需要长期的工艺调试和摸索,技术难度已经基本克服。

除PD快充,GaN往大功率电源进攻

镓未来是国内领先的GaN功率器件生产企业,致力于Cascode结构GaN产品的研发和生产。据介绍,该结构结合了硅器件的易用性和GaN器件的高频率高效率的特点,可以实现高达10KW的高功率密度电源解决方案,产品主要用于大功率服务器电源,基站电源等。最近,镓未来针对于快充应用,推出两款小尺寸贴片cascode GaN器件,G1N65R240PB 和 G1N65R480PA,分别对应65W和33W快充应用,以其强壮的抗干扰能力和简易的驱动方式,助力用户实现简洁高效的GaN快充设计。

目前氮矽科技的GaN功率器件在PD与LED电源等消费领域的应用已经逐渐成熟。白色家电,以及数据中心、光伏等工业类,甚至是汽车电子领域的厂商陆续对氮矽科技的GaN功率器件表现出了浓厚的兴趣。据悉,未来,氮矽科技产品将配合自研GaN驱动芯片逐步布局更大功率,更稳定的GaN功率器件与模组市场。

记者了解,芯珉GaN功率MOS,主要应用于超级快充,LED电源和小型化高密度电源。其中超级快充是传统GaN的主要市场,而LED电源、小型化高密度电源,比如断路器、微型基站电源是一个创新领域,也是芯珉接下来的主要布局市场。

PD快充作为第三代半导体材料GaN的主要市场,已经逐渐成熟,而未来,LED、基站、服务器等大功率电源或将成为GaN材料的热门应用市场。

SiC将在车载电源市场大放异彩

深圳美浦森半导体有限公司(简称“美浦森”)从成立之初就一直致力于第三代半导体材料SiC开发生产和推广,是国内最早研发及推广SiC产品公司之一,并形成了硅与SiC的双结合,给客户提供更多稳定选择。目前公司SiC产品已经成熟应用于PD快充、照明电源、光伏逆变及服务器电源领域;以电压段对应的不同市场,结合最新制程工艺对关键参数进行差异化设定,使产品更贴合用户方案设计。目前美浦森已经批量供应SiC MOS超低内阻产品,具备与进口品牌共享市场的能力,并继续投入研发通过不断改进,为客户带来更具性价比的选择。

第三代半导体材料GaN和SiC:国产应用新布局

据透露,美浦森已经在第三代半导体材料领域积极布局轨道交通、车载电源市场,并与多家国内龙头车商达成协议,亦有部分产品已经开始上车试验。

目前芯珉的SiC器件,主要应用在逆变器上,包含微型逆变器和大功率逆变器。目前芯珉推出的主要产品是SiC肖特基二极管和肖特基模组。据悉,芯珉未来第三代半导体材料市场将主要在充电桩、服务器电源等高效率、大功率电源场合进行布局。

截至今年,泰科天润半导体科技(北京)有限公司(简称“泰科天润”)已在SiC芯片领域深耕十年,其产品已经广泛运用于工业类(如大功率LED电源、PC电源、通信电源、光伏逆变器以及充电桩的充电模块等),车载类电源(如OBC、 DCDC等),消费类(如PD快充)市场。

泰科天润营销副总秋琪认为,未来的电源方向是小型化、轻量化和高功率密度,电动汽车等新兴领域必然是碳化硅器件的主要应用领域之一。因为电动汽车电机电控若采用全碳化硅方案,平均约每6台消耗一片碳化硅六寸晶圆,全球预计2025年电动车数量将达到1500万辆,所以碳化硅功率器件最强大的成长动力也在新能源汽车。

新能源汽车需要大量的汽车电子和电气的器件。这些器件对整机的总价值、尺寸、总量、动态性能、过载能力、耐用性和可靠性起着十分重要的作用。硅基IGBT作为主导型功率器件,应用于新能源汽车中的电机控制器,而电机及其控制器约占整车成本的7%-10%,是除电池以外第二高成本的元件,也是决定整车能源效率的关键器件。同时为了实现更大功率密度、高可靠,快充功率器件需要具有更强的性能,基于第三代半导体材料SiC的新一代汽车功率器件也将大放异彩。

国产替代的进程继续,成本将会逐步下降

从2018年的缺货浪潮,国外大厂步调一致地重点保供国外客户,到2020年疫情影响,国外厂商在东南亚生产基地受到严重减产影响,国产品牌厂商多次承担交付重任。除此之外,大力发展第三代半导体提升到国家战略,结合国内巨大的需求市场,国产化替代有了前所未有的空间,也给了整个国产第三代半导体产业链一次迭代的机会。

今年来受惠于国家的支持和国产半导体行业的不懈努力,国产第三代半导体正在以不可思议的速度高速成长。在第三代半导体方面,国内外差距没有一、二代半导体明显。就SiC二极管类来说,国内产品已经基本国产化,并且已经进入工业和汽车领域;在SiC Mosfet方面,国内外还有一些差距;在GaN方面,我国的GaN射频设备市场规模正在持续增长,其主要支柱以及主要增长动力为军备国防、无线通信基础设施等;在硅基GaN方面,如今主要应用于手机PD快充产品,由于消费类产品对成本非常敏感,以及产品自身的技术门槛低于工业类与车载类,国内外差距在不久之后将不再明显。

第三代半导体材料GaN和SiC:国产应用新布局

苑维旺预计,在接下来的几年,SiC肖特基将全面国产化。而SiC MOS当前还是和主要以日本的ROHM,美国的cree和欧洲的意法半导体、英飞凌为主,MOS国产化还需要技术工艺的进一步打磨,但长期趋势还是国产化。

当前第三代半导体器件的发展方向明确,国内原厂占据天时地利。对于国内第三代半导体材料SiC环境,这两年受中美贸易战、国外疫情以及东南亚封装厂的停工等外因挤压下,早年间对国内厂商持观望态度的国外厂商逐渐敞开怀抱,同时本土客户也持开放的态度与国内原厂交流。另一方面,部分国外友商跟欧美车厂之间存在深度绑定,对其他客户的供应能力下降,国内的标杆客户由于供应不够,便会考虑包括国产SiC在内的国产半导体。

秋琪认为,碳化硅材料从4寸到6寸乃至未来的8寸,第三代半导体材料SiC成本下降从而下沉分割硅的市场。

美浦森产品经理杨勇表示,未来,第三代半导体材料与国外大厂的产品差距会越来越小,直至追赶甚至反超,同时价格一定会越来越接近地气。氮矽科技市场经理柯威相信,在3-5年内,国内GaN功率器件的成本必然会直逼传统硅基MOS的价格,并成为市场新宠儿。

第三代半导体材料国产替代的进程依然任重道远。苑维旺认为,当前第三代半导体中,GaN器件仍然以美国的navitas、PI和加拿大的gansystem为主,第三代半导体材料国产替代才刚刚开始,当前也主要是消费类电子市场进行替代,工业和汽车领域还有很长的路要走。

第三代半导体材料发展新方向

众所周知,采用第三代半导体材料的目的是为了提高产品效率和功率密度。大功率产品主要是Si IGBT向SiC MOSFET发展,目前在车载应用方面已经开始全面替换,其效率的提升以及重量的减轻直接提高了电动车的续航能力。而中小功率产品是Si MOSFET向GaN HEMT发展,主要应用是数据中心电源及充电适配器。

数据中心消耗的能源大概占总发电量的10%左右,采用第三代半导体材料GaN设计的电源能够使效率提高3到5个点,从而节省全国千分之三到千分之五的电力消耗。这对于碳中和有非常重要的意义。充电适配器方面,采用氮化镓可以减少一半的体积,目前基本成为消费者的刚需。特别是随着PD3.1的推出,未来只需要带上一台PD适配器,就可以给任何便携式电器充电。这将是一个十亿量级的市场。

杨勇认为,随着国家“碳中和”战略性基调以及对第三代半导体的持续支持,未来全球第三代半导体材料SiC消费市场中国必定一马当先。同时随着国内第三代半导体材料SiC制程开始逐渐成熟,并且已经稳定生产,相信不远可从根本上解决第三代半导体材料问题。

国产化趋势不可阻挡,第三代半导体是国家弯道超车的主要产品,随着工艺的进步,将有非常广阔的市场空间。“第三代半导体材料不仅仅在于SiC和GaN,砷化镓(GaAs)等化合物也是未来的重要力量,在当前的5G PA、电力线宽带载波等领域都将有广阔的应用。”苑维旺表示。

结语

受国家政策和半导体行业的支持推动,以GaN和SiC为代表的第三代半导体材料,已经成为半导体行业发展的重要关注对象。特别是在PD快充与新能源汽车领域,第三代半导体材料GaN和SiC的使用极大地推动了产品革新与迭代。针对目前国产替代现状,随着国内厂商不断研发创新,突破技术难点,国内第三代半导体行业的位置将占有一席之地;同时随着衬底和外延片尺寸的增加和生产规模的扩大,第三代半导体材料成本也将有所下降,于更大功率电源的智能电网、轨道交通等诸多领域都会看到GaN和SiC等第三代半导体材料的亮眼身影。

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