第三代半導體材料GaN和SiC：國產(chǎn)應用新布局

　　前言
　　第三代半導體材料具有優(yōu)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(chē)等新興領(lǐng)域市場(chǎng)，被認為是半導體行業(yè)的重要發(fā)展方向。但不可否認，目前GaN和SiC材料技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)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(zhù)國內第三代半導體行業(yè)進(jìn)程。作為提高產(chǎn)品效率和功率密度的重點(diǎn)材料，第三代半導體材料GaN和SiC當前的發(fā)展狀況備受關(guān)注。　　　   　GaN和SiC材料的技術(shù)難點(diǎn)和特點(diǎn)
　　目前，第三代半導體材料GaN和SiC已經(jīng)得到了市場(chǎng)認可和高度關(guān)注。在功率半導體的范疇，業(yè)內人士認為，除了LED發(fā)光和射頻，第三代半導體材料SiC的技術(shù)難點(diǎn)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(chǎng)商生產(chǎn)，國內想要突破還需要相當長(cháng)的一段時(shí)間。
　　同時(shí)第三代半導體材料SiC工藝控制難度高、產(chǎn)品批次性波動(dòng)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(chǎng)價(jià)格一直居高不下，目前只限定在部分應用市場(chǎng)。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，第三代半導體材料SiC的應用已經(jīng)開(kāi)始改變更多行業(yè)。
　　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(kāi)關(guān)特性具有MOSFET相近的功能。GaN HEMT是平面導電結構，不依賴(lài)于襯底，可以在藍寶石或者硅襯底上都能實(shí)現，但它難以實(shí)現常閉型器件。珠海鎵未來(lái)科技有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)“鎵未來(lái)”)市場(chǎng)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(shí)現常閉功能;另一種是在源極串聯(lián)低壓MOSFET，通過(guò)控制低壓MOSFET來(lái)提供GaN柵極的負壓關(guān)斷，其好處是MOSFET的驅動(dòng)抗干擾能力強。
　　除此之外，第三代半導體材料GaN目前的技術(shù)難點(diǎn)還來(lái)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(wèn)題的挑戰;對于氮化鎵企業(yè)來(lái)說(shuō)，怎么能完善測試內容與流程用最快最準確的方式替客戶(hù)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(shí)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(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(jiǎn)稱(chēng)“氮矽科技”)經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的研究與實(shí)踐，自建一套完善的測試線(xiàn)，不但能為客戶(hù)選出工作正常的器件，而且能將器件劃分等級，為客戶(hù)提供能達到要求的高性?xún)r(jià)比產(chǎn)品，并用大量的實(shí)踐測試數據幫助代工廠(chǎng)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(chǎng)商合作開(kāi)發(fā)方案。
　　芯珉微電子(上海)有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)“芯珉”)CEO苑維旺認為，GaN與硅器件類(lèi)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(kāi)關(guān)過(guò)程中，額外的電應力導致導通內阻動(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(zhù)使用時(shí)間和環(huán)境溫度的不同而導致的內阻不同，具體表現為：　　　
　　基于上述GaN器件的問(wèn)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(jīng)基本成熟，主要問(wèn)題在于SiC MOSFET的穩定性上面，還需要長(cháng)期的工藝調試和摸索，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(lái)是國內領(lǐng)先的GaN功率器件生產(chǎn)企業(yè)，致力于Cascode結構GaN產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)。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(diǎn)，可以實(shí)現高達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，****電源等。最近，鎵未來(lái)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(jiǎn)易的驅動(dòng)方式，助力用戶(hù)實(shí)現簡(jiǎn)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(lǐng)域的應用已經(jīng)逐漸成熟。白色家電，以及數據中心、光伏等工業(yè)類(lèi)，甚至是汽車(chē)電子領(lǐng)域的廠(chǎng)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(lái)，氮矽科技產(chǎn)品將配合自研GaN驅動(dòng)芯片逐步布局更大功率，更穩定的GaN功率器件與模組市場(chǎng)。
　　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(chǎng)，而LED電源、小型化高密度電源，比如斷路器、微型****電源是一個(gè)創(chuàng )新領(lǐng)域，也是芯珉接下來(lái)的主要布局市場(chǎng)。
　　PD快充作為第三代半導體材料GaN的主要市場(chǎng)，已經(jīng)逐漸成熟，而未來(lái)，LED、****、服務(wù)器等大功率電源或將成為GaN材料的熱門(mén)應用市場(chǎng)。
　　SiC將在車(chē)載電源市場(chǎng)大放異彩
　　深圳美浦森半導體有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)“美浦森”)從成立之初就一直致力于第三代半導體材料SiC開(kāi)發(fā)生產(chǎn)和推廣，是國內最早研發(fā)及推廣SiC產(chǎn)品公司之一，并形成了硅與SiC的雙結合，給客戶(hù)提供更多穩定選擇。目前公司SiC產(chǎn)品已經(jīng)成熟應用于PD快充、照明電源、光伏逆變及服務(wù)器電源領(lǐng)域;以電壓段對應的不同市場(chǎng)，結合最新制程工藝對關(guān)鍵參數進(jìn)行差異化設定，使產(chǎn)品更貼合用戶(hù)方案設計。目前美浦森已經(jīng)批量供應SiC MOS超低內阻產(chǎn)品，具備與進(jìn)口品牌共享市場(chǎng)的能力，并繼續投入研發(fā)通過(guò)不斷改進(jìn)，為客戶(hù)帶來(lái)更具性?xún)r(jià)比的選擇。　　
　　據透露，美浦森已經(jīng)在第三代半導體材料領(lǐng)域積極布局軌道交通、車(chē)載電源市場(chǎng)，并與多家國內龍頭車(chē)商達成協(xié)議，亦有部分產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始上車(chē)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(chǎn)品是SiC肖特基二極管和肖特基模組。據悉，芯珉未來(lái)第三代半導體材料市場(chǎng)將主要在充電樁、服務(wù)器電源等高效率、大功率電源場(chǎng)合進(jìn)行布局。
　　截至今年，泰科天潤半導體科技(北京)有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)“泰科天潤”)已在SiC芯片領(lǐng)域深耕十年，其產(chǎn)品已經(jīng)廣泛運用于工業(yè)類(lèi)(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(chē)載類(lèi)電源(如OBC、 DCDC等)，消費類(lèi)(如PD快充)市場(chǎng)。
　　泰科天潤營(yíng)銷(xiāo)副總秋琪認為，未來(lái)的電源方向是小型化、輕量化和高功率密度，電動(dòng)汽車(chē)等新興領(lǐng)域必然是碳化硅器件的主要應用領(lǐng)域之一。因為電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)車(chē)數量將達到1500萬(wàn)輛，所以碳化硅功率器件最強大的成長(cháng)動(dòng)力也在新能源汽車(chē)。
　　新能源汽車(chē)需要大量的汽車(chē)電子和電氣的器件。這些器件對整機的總價(jià)值、尺寸、總量、動(dòng)態(tài)性能、過(guò)載能力、耐用性和可靠性起著(zhù)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(chē)中的電機控制器，而電機及其控制器約占整車(chē)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(chē)能源效率的關(guān)鍵器件。同時(shí)為了實(shí)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(chē)功率器件也將大放異彩。
　　國產(chǎn)替代的進(jìn)程繼續，成本將會(huì )逐步下降
　　從2018年的缺貨浪潮，國外大廠(chǎng)步調一致地重點(diǎn)保供國外客戶(hù)，到2020年疫情影響，國外廠(chǎng)商在東南亞生產(chǎn)基地受到嚴重減產(chǎn)影響，國產(chǎn)品牌廠(chǎng)商多次承擔交付重任。除此之外，大力發(fā)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(chǎng)，國產(chǎn)化替代有了前所未有的空間，也給了整個(gè)國產(chǎn)第三代半導體產(chǎn)業(yè)鏈一次迭代的機會(huì )。
　　今年來(lái)受惠于國家的支持和國產(chǎn)半導體行業(yè)的不懈努力，國產(chǎn)第三代半導體正在以不可思議的速度高速成長(cháng)。在第三代半導體方面，國內外差距沒(méi)有一、二代半導體明顯。就SiC二極管類(lèi)來(lái)說(shuō)，國內產(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(chē)領(lǐng)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(chǎng)規模正在持續增長(cháng)，其主要支柱以及主要增長(cháng)動(dòng)力為軍備國防、無(wú)線(xiàn)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(chǎn)品，由于消費類(lèi)產(chǎn)品對成本非常敏感，以及產(chǎn)品自身的技術(shù)門(mén)檻低于工業(yè)類(lèi)與車(chē)載類(lèi)，國內外差距在不久之后將不再明顯。　　　　苑維旺預計，在接下來(lái)的幾年，SiC肖特基將全面國產(chǎn)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(chǎn)化還需要技術(shù)工藝的進(jìn)一步打磨，但長(cháng)期趨勢還是國產(chǎn)化。
　　當前第三代半導體器件的發(fā)展方向明確，國內原廠(chǎng)占據天時(shí)地利。對于國內第三代半導體材料SiC環(huán)境，這兩年受中美貿易戰、國外疫情以及東南亞封裝廠(chǎng)的停工等外因擠壓下，早年間對國內廠(chǎng)商持觀(guān)望態(tài)度的國外廠(chǎng)商逐漸敞開(kāi)懷抱，同時(shí)本土客戶(hù)也持開(kāi)放的態(tài)度與國內原廠(chǎng)交流。另一方面，部分國外友商跟歐美車(chē)廠(chǎng)之間存在深度綁定，對其他客戶(hù)的供應能力下降，國內的標桿客戶(hù)由于供應不夠，便會(huì )考慮包括國產(chǎn)SiC在內的國產(chǎn)半導體。
　　秋琪認為，碳化硅材料從4寸到6寸乃至未來(lái)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(chǎng)。
　　美浦森產(chǎn)品經(jīng)理楊勇表示，未來(lái)，第三代半導體材料與國外大廠(chǎng)的產(chǎn)品差距會(huì )越來(lái)越小，直至追趕甚至反超，同時(shí)價(jià)格一定會(huì )越來(lái)越接近地氣。氮矽科技市場(chǎng)經(jīng)理柯威相信，在3-5年內，國內GaN功率器件的成本必然會(huì )直逼傳統硅基MOS的價(jià)格，并成為市場(chǎng)新寵兒。
　　第三代半導體材料國產(chǎn)替代的進(jìn)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(chǎn)替代才剛剛開(kāi)始，當前也主要是消費類(lèi)電子市場(chǎng)進(jìn)行替代，工業(yè)和汽車(chē)領(lǐng)域還有很長(cháng)的路要走。
　　第三代半導體材料發(fā)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(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(chē)載應用方面已經(jīng)開(kāi)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(chē)的續航能力。而中小功率產(chǎn)品是Si MOSFET向GaN HEMT發(fā)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(fā)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(gè)點(diǎn)，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(zhù)PD3.1的推出，未來(lái)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(gè)十億量級的市場(chǎng)。
　　楊勇認為，隨著(zhù)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(lái)全球第三代半導體材料SiC消費市場(chǎng)中國必定一馬當先。同時(shí)隨著(zhù)國內第三代半導體材料SiC制程開(kāi)始逐漸成熟，并且已經(jīng)穩定生產(chǎn)，相信不遠可從根本上解決第三代半導體材料問(wèn)題。
　　國產(chǎn)化趨勢不可阻擋，第三代半導體是國家彎道超車(chē)的主要產(chǎn)品，隨著(zhù)工藝的進(jìn)步，將有非常廣闊的市場(chǎng)空間?！暗谌雽w材料不僅僅在于SiC和GaN，砷化鎵(GaAs)等化合物也是未來(lái)的重要力量，在當前的5G PA、電力線(xiàn)寬帶載波等領(lǐng)域都將有廣闊的應用?！痹肪S旺表示。
　　結語(yǔ)
　　受?chē)艺吆桶雽w行業(yè)的支持推動(dòng)，以GaN和SiC為代表的第三代半導體材料，已經(jīng)成為半導體行業(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(chē)領(lǐng)域，第三代半導體材料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)替代現狀，隨著(zhù)國內廠(chǎng)商不斷研發(fā)創(chuàng )新，突破技術(shù)難點(diǎn)，國內第三代半導體行業(yè)的位置將占有一席之地;同時(shí)隨著(zhù)襯底和外延片尺寸的增加和生產(chǎn)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(wǎng)、軌道交通等諸多領(lǐng)域都會(huì )看到GaN和SiC等第三代半導體材料的亮眼身影。
來(lái)源：大比特資訊