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

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2022-03-17 09:14:24 11

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) 8fc801791fb98f0f62ab8b4193f75f82

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)長的一段時間。

同時第三代半導(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*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*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。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)*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)動方式，助力用戶實(shí)現(xiàn)簡潔高效的GaN快充設(shè)計。

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)合最新制程工藝對關(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。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)殡妱悠囯姍C(jī)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(yù)計2025年電動車數(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)的總價值、尺寸、總量、動態(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*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，也給了整個國產(chǎn)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈一次迭代的機(jī)會。

今年來受惠于*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力為軍備國防、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*預(yù)計，在接下來的幾年，SiC肖特基將*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)理楊勇表示，未來，第三代半導(dǎo)體材料與國外大廠的產(chǎn)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(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直逼傳統(tǒng)硅基MOS的價格，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*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*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(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)計的電源能夠使效率提高3到5個點(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(rèn)為，隨著*“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*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。”苑維*表示。

結(jié)語

受*政策和半導(dǎo)體行業(yè)的支持推動，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)域都會看到GaN和SiC等第三代半導(dǎo)體材料的亮眼身影。

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