Vorwort

Die Halbleitermaterialien der dritten Generation weisen eine überlegene Leistung und Energiebandstruktur auf und werden häufig bei der Herstellung von Hochfrequenzgeräten, optoelektronischen Geräten, Leistungsgeräten usw. verwendet und sind nach und nach in aufstrebende Bereiche wie 5G-Kommunikation und PD-Schnellladung vorgedrungen und neue Energiefahrzeuge. Wichtige Entwicklungsrichtung der Halbleiterindustrie. Es ist jedoch nicht zu leugnen, dass die technischen Schwierigkeiten von GaN- und SiC-Materialien immer noch bestehen, der Grad der inländischen Substitution nicht hoch ist und die Kosten immer noch hoch sind, was den Prozess der Halbleiterindustrie der dritten Generation in China belastet. Als Schlüsselmaterialien zur Verbesserung der Produkteffizienz und Leistungsdichte hat der aktuelle Entwicklungsstand der Halbleitermaterialien GaN und SiC der dritten Generation große Aufmerksamkeit erregt.

Technische Schwierigkeiten und Eigenschaften von GaN- und SiC-Materialien

Derzeit sind die Halbleitermaterialien der dritten Generation GaN und SiC anerkannt und vom Markt stark beunruhigt. Im Bereich der Leistungshalbleiter liegen Branchenkenner zufolge die technischen Schwierigkeiten des Halbleitermaterials der dritten Generation SiC neben LED-Lichtemission und Hochfrequenz vor allem in der Beherrschung von Substratdefekten. Derzeit werden Substratmaterialien mit geringer Defektdichte hauptsächlich von europäischen, amerikanischen und japanischen Herstellern hergestellt, und der Durchbruch in China wird noch lange dauern.

Gleichzeitig ist der SiC-Prozess der dritten Generation für Halbleitermaterialien schwer zu kontrollieren, und die Schwankungen der Produktchargen führen zu einer geringen Ausbeute und einer Monopolstellung der Hauptmaterialversorgung. Daraus lässt sich sogar schließen, dass der Marktpreis hoch geblieben ist und derzeit nur auf einige Anwendungsmärkte beschränkt ist. Im Vergleich zu einer Reihe eigener Eigenschaften wie geringerer Verlust, höherer Wirkungsgrad, hoher Spannungs- und Hochtemperaturbeständigkeit von SiC hat die Anwendung des Halbleitermaterials SiC der dritten Generation jedoch begonnen, weitere Branchen zu verändern.

Im Gegensatz zu SiC ist GaN relativ komplex. GaN ist kein MOSFET im eigentlichen Sinne, sondern ein HEMT (High Electron Mobility Transistor), dessen Schaltverhalten dem eines MOSFET ähnelt. GaN-HEMTs haben eine substratunabhängige, planare leitfähige Struktur und können sowohl auf Saphir- als auch auf Siliziumsubstraten implementiert werden. Allerdings ist die Implementierung von selbstsperrenden Bauelementen schwierig. Zhang Dajiang, Marketingdirektor von Zhuhai Gallium Future Technology Co., Ltd. (kurz: „Gallium Future“), sieht zwei Lösungen: Entweder wird das Gate p-dotiert, um das zweidimensionale Elektronengas zu blockieren und die normalerweise geschlossene Funktion zu realisieren; oder ein Niederspannungs-MOSFET wird in Reihe mit der Source geschaltet und so gesteuert, dass das GaN-Gate bei negativer Spannung abgeschaltet wird. Der Vorteil liegt in der hohen Entstörungsfähigkeit des MOSFET.

Darüber hinaus sind die aktuellen technischen Schwierigkeiten des Halbleitermaterials GaN der dritten Generation auch auf viele andere Aspekte zurückzuführen. Im Hinblick auf die Prozessschwierigkeiten stehen GaN-Materialien vor Herausforderungen wie Geräteausbeute, Konsistenz und Zuverlässigkeit; Wie können GaN-Unternehmen den Testinhalt und -prozess verbessern und Aufträge für Kunden am schnellsten und genauesten aussortieren? Gutes Gerät; Die hohe Hitzebeständigkeit, Hochfrequenzbeständigkeit, niedrige Vth und andere Eigenschaften von GaN sind dazu bestimmt, eine andere Verpackungsrichtung als herkömmliche Siliziumgeräte zu haben; Gleichzeitig hat die Hinzufügung des Halbleitermaterials GaN der dritten Generation in der Anwendung die traditionelle Stromversorgungsindustrie untergraben. Die neue Energiebranche stellt höhere Anforderungen an die Hersteller von PWM-Steuerchips und Transformatoren.

Der Reporter erfuhr, dass Chengdu Nitrogen Silicon Technology Co., Ltd. (als „Nitrogen Silicon Technology“ bezeichnet) nach langer Forschung und Praxis einen kompletten Satz Testlinien aufgebaut hat, der nicht nur die normal funktionierenden Geräte auswählen kann Kunden, sondern können die Geräte auch testen. Klassifizieren Sie, stellen Sie Kunden kostengünstige Produkte zur Verfügung, die die Anforderungen erfüllen können, und verwenden Sie eine große Anzahl praktischer Testdaten, um die Prozessentwicklung der Gießerei zu unterstützen und Verbesserungsrichtungen bereitzustellen. Andererseits forscht Nitrogen Silicon Technology intensiv an fortschrittlichen Verpackungs- und Dichtungstechnologien, um die Leistung und Benutzerfreundlichkeit von GaN-Geräten zu verbessern. Gleichzeitig hat das Unternehmen Kontakt zu großen Herstellern von Transformatoren und PWM-Chips aufgenommen, um Lösungen zu entwickeln.

Yuan Weiwang, CEO von Xinmin Microelectronics (Shanghai) Co., Ltd. (im Folgenden als „Xinmin“ bezeichnet), glaubt, dass GaN Siliziumbauteilen ähnelt und der Innenwiderstand bei hohen Temperaturen einen Anstieg um mehr als das Zweifache des Koeffizienten zeigt . Im Gegensatz zu Siliziumbauelementen führt die zusätzliche elektrische Belastung dazu, dass der Einschaltwiderstand während des Prozesses dynamisch ansteigt. Daher liegt die technische Schwierigkeit von GaN-Geräten hauptsächlich darin, mit den unterschiedlichen Innenwiderständen umzugehen, die durch unterschiedliche Nutzungsdauer und Umgebungstemperatur verursacht werden und wie folgt dargestellt werden:

1: RDson zeigt mit steigender Temperatur einen instabilen Zustand, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Zweitens: RDson zeigt im Laufe der Zeit auch einen instabilen Zustand, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Aufgrund der oben genannten Probleme von GaN-Bauelementen besteht die Lösung darin, die thermoelektrischen Belastungsfaktoren umfassend zu berücksichtigen und ein Design mit einem 3- bis 3.5-fachen RDson-Rand zu verwenden. SiC-Bauelemente sind im Hinblick auf die Anwendung aktueller Schottky-Dioden grundsätzlich ausgereift. Das Hauptproblem ist die Stabilität von SiC-MOSFETs, die eine langfristige Prozessfehlersuche und -erforschung erfordert. Die technischen Schwierigkeiten wurden im Wesentlichen überwunden.

Zusätzlich zum PD-Schnellladen greift GaN Hochleistungsstromquellen an

Gallium Future ist ein führender Hersteller von GaN-Leistungsgeräten in China, der sich der Forschung und Entwicklung sowie der Produktion von GaN-Produkten mit Kaskodenstruktur widmet. Berichten zufolge kombiniert die Struktur die Benutzerfreundlichkeit von Siliziumbauelementen mit den Hochfrequenz- und Hocheffizienzeigenschaften von GaN-Bauelementen, um Leistungslösungen mit hoher Leistungsdichte bis zu 10 kW zu erreichen. Die Produkte werden hauptsächlich für Hochleistungs-Server-Netzteile, Basisstation-Netzteile usw. verwendet. Vor kurzem hat Gallium Future zwei kleine SMD-Kaskoden-GaN-Geräte für Schnellladeanwendungen auf den Markt gebracht, G1N65R240PB und G1N65R480PA, die 65 W und 33 W Schnellladung entsprechen Anwendungen bzw. Mit seiner starken Entstörungsfähigkeit und der einfachen Antriebsmethode hilft es Benutzern, ein einfaches und effizientes GaN-Schnellladedesign zu erreichen.

Derzeit ist die Anwendung der GaN-Stromversorgungsgeräte von Nitrogen Silicon Technology in Verbraucherbereichen wie PD- und LED-Stromversorgungen allmählich ausgereift. Hersteller von Haushaltsgeräten, aber auch von Rechenzentren, Photovoltaik- und anderen Branchen und sogar aus dem Bereich der Automobilelektronik haben sukzessive großes Interesse an GaN-Leistungsgeräten von Nitrosil Technology gezeigt. Es wird berichtet, dass die Produkte von Nitrogen Silicon Technology in Zukunft mit selbst entwickelten GaN-Treiberchips zusammenarbeiten werden, um schrittweise einen leistungsstärkeren und stabileren Markt für GaN-Leistungsgeräte und -Module zu erschließen.

Der Reporter erfuhr, dass Xinmin GaN Power MOS hauptsächlich für Superschnellladungen, LED-Stromversorgungen und miniaturisierte Netzteile mit hoher Dichte verwendet wird. Unter ihnen ist das superschnelle Laden der Hauptmarkt für traditionelles GaN, während LED-Stromversorgung, miniaturisierte Stromversorgung mit hoher Dichte wie Leistungsschalter und Stromversorgung für Mikro-Basisstationen ein innovatives Feld und auch der Hauptmarkt für Layouts sind Xinmin.

Als Hauptmarkt für das Halbleitermaterial GaN der dritten Generation hat sich das PD-Schnellladen allmählich ausgereift. In Zukunft könnten Hochleistungsstromversorgungen wie LEDs, Basisstationen und Server beliebte Anwendungsmärkte für GaN-Materialien werden.

SiC wird auf dem Automobil-Stromversorgungsmarkt glänzen

Shenzhen Mipson Semiconductor Co., Ltd. (kurz „Mipson“) engagiert sich seit seiner Gründung für die Entwicklung, Produktion und Förderung des Halbleitermaterials SiC der dritten Generation. Die Doppelkombination bietet Kunden stabilere Auswahlmöglichkeiten. Derzeit werden die SiC-Produkte des Unternehmens in den Bereichen PD-Schnellladung, Beleuchtungsstromversorgung, Photovoltaik-Wechselrichter und Serverstromversorgung ausgereift eingesetzt. Entsprechend den verschiedenen Märkten, die dem Spannungssegment entsprechen, werden in Kombination mit der neuesten Prozesstechnologie die Schlüsselparameter differenziert, um die Produkte für den Benutzer besser geeignet zu machen. Design. Derzeit hat MPS SiC-MOS-Produkte mit extrem niedrigem Innenwiderstand in Chargen geliefert und ist in der Lage, den Markt mit importierten Marken zu teilen. Darüber hinaus investiert MPS weiterhin in Forschung und Entwicklung, um den Kunden durch kontinuierliche Verbesserung kostengünstigere Optionen anzubieten.

Berichten zufolge hat MPS die Märkte für Schienenverkehr und Fahrzeugstromversorgung aktiv im Bereich der Halbleitermaterialien der dritten Generation erschlossen, Vereinbarungen mit einer Reihe führender inländischer Automobilhersteller getroffen und einige Produkte haben bereits mit der Erprobung an Bord begonnen.

Derzeit werden die SiC-Bauelemente von Xinmin hauptsächlich in Wechselrichtern, darunter Mikro- und Hochleistungswechselrichtern, eingesetzt. Die wichtigsten Produkte von Xinmin sind derzeit SiC-Schottky-Dioden und Schottky-Module. Berichten zufolge wird Xinmins Halbleitermaterial der dritten Generation vor allem in hocheffizienten und leistungsstarken Stromversorgungen wie Ladestationen und Server-Netzteilen eingesetzt.

Seit diesem Jahr engagiert sich Tyco Tianrun Semiconductor Technology (Beijing) Co., Ltd. („Tyco Tianrun“) seit zehn Jahren intensiv im Bereich der SiC-Chips und seine Produkte werden in vielen Branchen (z. B. Hoch- und Tiefbau) eingesetzt -Power-LED-Netzteile, PC-Netzteile, Kommunikationsnetzteile, Photovoltaik-Wechselrichter und Lademodule der Ladesäule usw.), Fahrzeugstromversorgung (wie OBC, DCDC usw.), Verbrauchermarkt (wie PD-Schnellladung). .

Qiu Qi, Vizepräsident für Marketing bei Tyco Tianrun, ist davon überzeugt, dass die künftige Richtung der Stromversorgung in Miniaturisierung, geringem Gewicht und hoher Leistungsdichte liegt und dass aufstrebende Bereiche wie Elektrofahrzeuge eines der Hauptanwendungsgebiete von Siliziumkarbid-Geräten sein müssen. Denn wenn die elektronische Steuerung des Elektrofahrzeugmotors die vollständige Siliziumkarbidlösung übernimmt, werden durchschnittlich sechs 6-Zoll-Wafer aus Siliziumkarbid verbraucht. Power steckt auch in New-Energy-Fahrzeugen.

Fahrzeuge mit alternativen Antrieben benötigen eine große Anzahl elektronischer und elektrischer Komponenten. Diese Bauteile spielen eine entscheidende Rolle für Gesamtwert, Größe, Volumen, dynamische Leistung, Überlastfähigkeit, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der gesamten Maschine. Als dominierendes Leistungsbauelement wird in der Motorsteuerung von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben ein siliziumbasierter IGBT eingesetzt. Motor und Steuerung machen etwa 7–10 % der Gesamtkosten des Fahrzeugs aus und stellen damit nach der Batterie den zweithöchsten Kostenfaktor dar. Sie sind das Schlüsselbauelement, das die Energieeffizienz des gesamten Fahrzeugs bestimmt. Gleichzeitig müssen Schnelllade-Leistungsbauteile leistungsstärker sein, um eine höhere Leistungsdichte und Zuverlässigkeit zu erreichen. Eine neue Generation von Leistungsbauteilen für Fahrzeuge auf Basis des Halbleitermaterials SiC der dritten Generation wird ebenfalls überzeugen.

Der Prozess der inländischen Substitution wird fortgesetzt und die Kosten werden schrittweise sinken

Von der Welle der Lagerausfälle im Jahr 2018, bei der sich große ausländische Hersteller auf die gemeinsame Belieferung ausländischer Kunden konzentrierten, bis hin zu den Auswirkungen der Epidemie im Jahr 2020 waren die Produktionsstandorte ausländischer Hersteller in Südostasien stark von Produktionskürzungen betroffen, und zwar im Inland Markenhersteller haben immer wieder die schwere Lieferverantwortung übernommen. Darüber hinaus wurde die energische Entwicklung von Halbleitern der dritten Generation zu einer nationalen Strategie erhoben. In Kombination mit dem riesigen inländischen Nachfragemarkt gibt es einen beispiellosen Raum für Lokalisierung und Substitution und hat auch der gesamten inländischen Halbleiterindustriekette der dritten Generation die Möglichkeit gegeben, zu iterieren.

Dank der staatlichen Unterstützung und der unermüdlichen Anstrengungen der chinesischen Halbleiterindustrie verzeichnen die chinesischen Halbleiter der dritten Generation in diesem Jahr ein unglaubliches Wachstum. Bei den Halbleitern der dritten Generation ist die Kluft zwischen inländischen und ausländischen Produkten nicht so groß wie bei den Halbleitern der ersten und zweiten Generation. Bei SiC-Dioden sind die inländischen Produkte im Wesentlichen lokalisiert und finden Eingang in die Industrie- und Automobilbranche. Bei SiC-MOSFETs gibt es im In- und Ausland noch einige Lücken. Bei GaN wächst der chinesische Markt für GaN-HF-Geräte weiter. Die wichtigsten Säulen und Wachstumstreiber sind die drahtlose Kommunikationsinfrastruktur usw. Siliziumbasiertes GaN wird heute hauptsächlich in PD-Schnellladegeräten für Mobiltelefone verwendet. Da Konsumgüter sehr kostensensibel sind und die technischen Anforderungen der Produkte niedriger sind als die der Industrie- und Fahrzeugklasse, wird die Kluft zwischen inländischen und ausländischen Produkten in naher Zukunft verschwinden.

Yuan Weiwang prognostiziert, dass SiC Schottky in den nächsten Jahren vollständig lokalisiert sein wird. Derzeit basiert SiC MOS in Japan noch hauptsächlich auf ROHM, in den USA auf Cree und in Europa auf STMicroelectronics und Infineon. Die Lokalisierung von MOS erfordert noch eine weitere Verfeinerung der technischen Prozesse, aber der langfristige Trend geht immer noch zur Lokalisierung.

Derzeit ist die Entwicklungsrichtung der Halbleiterbauelemente der dritten Generation klar und inländische Originalfabriken nehmen den richtigen Zeitpunkt und den richtigen Ort ein. Für das inländische SiC-Halbleitermaterial der dritten Generation haben ausländische Hersteller in den letzten zwei Jahren unter dem Druck des chinesisch-amerikanischen Handelskriegs, ausländischer Epidemien und der Schließung von Verpackungsfabriken in Südostasien eine abwartende Haltung eingenommen. Sehen Sie, wie die Haltung gegenüber einheimischen Herstellern in den ersten Jahren nach und nach ihre Arme öffnete. Kunden haben auch eine offene Haltung gegenüber der Kommunikation mit inländischen Originalherstellern. Andererseits besteht zwischen einigen ausländischen Freunden eine tiefe Bindung zu europäischen und amerikanischen Automobilherstellern und die Lieferkapazität für andere Kunden ist zurückgegangen. Aufgrund des unzureichenden Angebots werden inländische Benchmark-Kunden inländische Halbleiter, einschließlich inländischer SiC, in Betracht ziehen.

Qiu Qi geht davon aus, dass die Kosten für das Halbleitermaterial SiC der dritten Generation von 4 Zoll auf 6 Zoll und in Zukunft sogar auf 8 Zoll bei Siliziumkarbidmaterialien sinken werden, was den segmentierten Siliziummarkt sinken lassen wird.

Yang Yong, Produktmanager von Mipson, sagte, dass der Abstand zwischen den Halbleitermaterialien der dritten Generation und den Produkten ausländischer Hersteller in Zukunft immer kleiner werden werde, bis sie aufholen oder sogar übertreffen, und dass der Preis definitiv näher kommen werde und näher an der Atmosphäre. Ke Wei, der Marktmanager von Nitrogen Silicon Technology, glaubt, dass sich die Kosten für inländische GaN-Stromversorgungsgeräte innerhalb von drei bis fünf Jahren unweigerlich dem Preis herkömmlicher MOS auf Siliziumbasis annähern und zum neuen Liebling des Marktes werden werden.

Der Prozess der heimischen Substitution von Halbleitermaterialien der dritten Generation hat noch einen langen Weg vor sich. Yuan Weiwang glaubt, dass GaN-Geräte bei den aktuellen Halbleitern der dritten Generation in Kanada immer noch von Navitas, PI und Gansystem dominiert werden. Der Industrie- und Automobilsektor hat noch einen langen Weg vor sich.

Neue Richtung für die Entwicklung von Halbleitermaterialien der dritten Generation

Wie wir alle wissen, dient der Einsatz von Halbleitermaterialien der dritten Generation der Verbesserung der Produkteffizienz und Leistungsdichte. Hochleistungsprodukte werden hauptsächlich von Si-IGBTs bis hin zu SiC-MOSFETs entwickelt. Derzeit werden sie in Fahrzeuganwendungen vollständig ersetzt. Die verbesserte Effizienz und die Gewichtsreduzierung verbessern direkt die Batterielebensdauer von Elektrofahrzeugen. Produkte mit kleiner und mittlerer Leistung werden von Si-MOSFETs bis hin zu GaN-HEMTs entwickelt. Die Hauptanwendungen sind Stromversorgungen für Rechenzentren und Ladeadapter.

Der Energieverbrauch des Rechenzentrums macht etwa 10 % der gesamten Stromerzeugung aus. Das mit dem Halbleitermaterial GaN der dritten Generation konzipierte Netzteil kann den Wirkungsgrad um 3 bis 5 Punkte steigern und dadurch 3 bis 5 Tausendstel des Stromverbrauchs des Landes einsparen. . Dies hat sehr wichtige Auswirkungen auf die CO3.1-Neutralität. Bei Ladeadaptern kann durch die Verwendung von Galliumnitrid das Volumen um die Hälfte reduziert werden, was für Verbraucher grundsätzlich zu einer festen Forderung geworden ist. Insbesondere mit der Einführung von PDXNUMX müssen Sie in Zukunft nur noch einen PD-Adapter mitbringen, um tragbare Elektrogeräte aufzuladen. Es wird ein Milliardenmarkt werden.

Yang Yong glaubt, dass China mit dem nationalen strategischen Ansatz der „Kohlenstoffneutralität“ und der kontinuierlichen Unterstützung der Halbleiter der dritten Generation in Zukunft definitiv den globalen Verbrauchermarkt für Halbleitermaterialien der dritten Generation (SiC) anführen wird. Gleichzeitig geht man davon aus, dass das Problem der Halbleitermaterialien der dritten Generation in naher Zukunft grundlegend gelöst werden kann, da der inländische SiC-Prozess für Halbleitermaterialien der dritten Generation allmählich ausgereift ist und sich in einer stabilen Produktion befindet.

Der Trend zur Lokalisierung ist unaufhaltsam. Der Halbleiter der dritten Generation ist das Hauptprodukt der landesweiten Überholmanöver in Kurven. Mit der Weiterentwicklung der Technologie wird es einen sehr breiten Marktraum geben. „Die Halbleitermaterialien der dritten Generation sind nicht nur SiC und GaN, sondern auch Verbindungen wie Galliumarsenid (GaAs) sind wichtige Kräfte der Zukunft und werden breite Anwendungen in der aktuellen 5G-PA, Breitbandträgern für Stromleitungen und anderen Bereichen finden.“ ." sagte Yuan Weiwang.

Fazit

Getrieben durch nationale Richtlinien und die Unterstützung der Halbleiterindustrie sind die Halbleitermaterialien der dritten Generation, repräsentiert durch GaN und SiC, zu einem wichtigen Schwerpunkt der Entwicklung der Halbleiterindustrie geworden. Insbesondere im Bereich des PD-Schnellladens und neuer Energiefahrzeuge hat der Einsatz der Halbleitermaterialien GaN und SiC der dritten Generation die Produktinnovation und -iteration erheblich vorangetrieben. Angesichts des aktuellen Status der inländischen Substitution wird die Position der inländischen Halbleiterindustrie der dritten Generation einen Platz einnehmen, da inländische Hersteller sich weiter entwickeln und innovieren und technische Schwierigkeiten überwinden. Auch die Kosten für Halbleitermaterialien werden sinken, und Halbleitermaterialien der dritten Generation wie GaN und SiC werden in vielen Bereichen wie Smart Grids und dem Schienenverkehr für Stromversorgungen mit höherer Leistung zum Einsatz kommen.

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