Prefacio

Los materiales semiconductores de tercera generación tienen un rendimiento y una estructura de banda de energía superiores, y se utilizan ampliamente en la fabricación de dispositivos de radiofrecuencia, dispositivos optoelectrónicos, dispositivos de energía, etc., y han penetrado gradualmente en campos emergentes como las comunicaciones 5G y la carga rápida PD. y vehículos de nuevas energías. Importante dirección de desarrollo de la industria de semiconductores. Sin embargo, es innegable que las dificultades técnicas de los materiales de GaN y SiC aún existen, el grado de sustitución nacional no es alto y el costo sigue siendo alto, lo que afecta el proceso de la industria de semiconductores de tercera generación en China. Como materiales clave para mejorar la eficiencia del producto y la densidad de potencia, el estado actual de desarrollo de los materiales semiconductores de tercera generación GaN y SiC ha atraído mucha atención.

Dificultades técnicas y características de los materiales GaN y SiC.

En la actualidad, los materiales semiconductores de tercera generación GaN y SiC han sido reconocidos y muy preocupados por el mercado. En el campo de los semiconductores de potencia, los expertos de la industria creen que, además de la emisión de luz LED y la radiofrecuencia, las dificultades técnicas del material semiconductor de tercera generación SiC residen principalmente en el control de los defectos del sustrato. En la actualidad, los materiales de sustrato con baja densidad de defectos son producidos principalmente por fabricantes europeos, estadounidenses y japoneses, y llevará un largo período de tiempo llegar a China.

Al mismo tiempo, el proceso de SiC del material semiconductor de tercera generación es difícil de controlar y las fluctuaciones en los lotes de productos conducen a un bajo rendimiento y un monopolio del suministro de material principal. Incluso se deduce que el precio de mercado se ha mantenido elevado, y actualmente sólo se limita a algunos mercados de aplicaciones. Sin embargo, en comparación con una serie de características propias del SiC, como menor pérdida, mayor eficiencia, alto voltaje y alta resistencia a la temperatura, la aplicación del material semiconductor de tercera generación SiC ha comenzado a cambiar más industrias.

A diferencia del SiC, el GaN es relativamente complejo. GaN no es un MOSFET en el verdadero sentido, sino un HEMT (High Electron Mobility Transistor), que tiene una característica de conmutación similar a la de un MOSFET. GaN HEMT es una estructura conductora plana que no depende del sustrato y se puede implementar en sustratos de zafiro o silicio, pero es difícil implementar dispositivos normalmente apagados. Zhang Dajiang, director de marketing de Zhuhai Gallium Future Technology Co., Ltd. ("Gallium Future" para abreviar), cree que hay dos soluciones: una es agregar dopaje tipo P a la puerta para bloquear el gas de electrones bidimensional. y realizar la función normalmente cerrada; Una es conectar un MOSFET de bajo voltaje en serie con la fuente y controlar el MOSFET de bajo voltaje para proporcionar el apagado de voltaje negativo de la puerta de GaN. La ventaja es que el MOSFET tiene una gran capacidad antiinterferente.

Además, las actuales dificultades técnicas del material semiconductor GaN de tercera generación también se deben a muchos otros aspectos. En términos de dificultad del proceso, los materiales de GaN enfrentan desafíos como el rendimiento, la consistencia y la confiabilidad del dispositivo; Para las empresas de GaN, ¿cómo pueden mejorar el contenido de las pruebas y procesar y seleccionar trabajos para los clientes de la manera más rápida y precisa? Buen dispositivo; La alta resistencia al calor, la resistencia a alta frecuencia, el bajo Vth y otras características de GaN están destinadas a tener una dirección de empaque diferente a la de los dispositivos de silicio tradicionales; al mismo tiempo, en la aplicación, la adición del material semiconductor de tercera generación GaN ha subvertido la industria tradicional del suministro de energía. La nueva industria energética tiene requisitos más altos para los fabricantes de transformadores y chips de control PWM.

El periodista se enteró de que Chengdu Nitrogen Silicon Technology Co., Ltd. (conocida como "Nitrogen Silicon Technology") ha construido un conjunto completo de líneas de prueba después de un largo período de investigación y práctica, que no solo pueden seleccionar los dispositivos que funcionan normalmente para clientes, pero también pueden probar los dispositivos. Clasifique, proporcione a los clientes productos rentables que puedan cumplir con los requisitos y utilice una gran cantidad de datos de pruebas prácticas para ayudar en el desarrollo del proceso de fundición y proporcionar direcciones de mejora. Por otro lado, Nitrogen Silicon Technology investiga enérgicamente tecnologías avanzadas de embalaje y sellado para mejorar el rendimiento y la facilidad de uso de los dispositivos GaN; al mismo tiempo, se ha puesto en contacto con importantes fabricantes de transformadores y chips PWM para desarrollar soluciones.

Yuan Weiwang, director ejecutivo de Xinmin Microelectronics (Shanghai) Co., Ltd. (conocida como "Xinmin"), cree que el GaN es similar a los dispositivos de silicio y que la resistencia interna a alta temperatura muestra un aumento de más de 2 veces el coeficiente. . A diferencia de los dispositivos de silicio, el interruptor durante el proceso, la tensión eléctrica adicional hace que la resistencia aumente dinámicamente. Por lo tanto, la dificultad técnica de los dispositivos GaN radica principalmente en cómo lidiar con las diferentes resistencias internas causadas por diferentes tiempos de uso y temperatura ambiente, que se muestran a continuación:

1: RDson muestra un estado inestable a medida que aumenta la temperatura, como se muestra en la siguiente figura:

Dos: RDson también muestra un estado inestable con el tiempo, como se muestra en la siguiente figura:

Con base en los problemas de los dispositivos GaN mencionados anteriormente, la solución es considerar de manera integral los factores de estrés termoeléctrico y considerar usar 3-3.5 veces el diseño de margen RDson. Los dispositivos de SiC están básicamente maduros en la aplicación de los diodos Schottky actuales. El principal problema es la estabilidad de los MOSFET de SiC, que requiere una depuración y exploración del proceso a largo plazo, y las dificultades técnicas se han superado básicamente.

Además de la carga rápida PD, GaN está atacando fuentes de energía de alta potencia

Gallium Future es un fabricante líder de dispositivos de energía GaN en China, dedicado a la investigación y el desarrollo y la producción de productos GaN con estructura Cascode. Según los informes, la estructura combina la facilidad de uso de los dispositivos de silicio y las características de alta frecuencia y alta eficiencia de los dispositivos GaN para lograr soluciones de potencia de alta densidad de potencia de hasta 10 KW. Los productos se utilizan principalmente para fuentes de alimentación de servidores de alta potencia, fuentes de alimentación de estaciones base, etc. Recientemente, Gallium Future ha lanzado dos dispositivos GaN cascodo SMD de pequeño tamaño para aplicaciones de carga rápida, G1N65R240PB y G1N65R480PA, correspondientes a carga rápida de 65W y 33W. aplicaciones respectivamente. Con su fuerte capacidad antiinterferencias y su método de conducción simple, ayuda a los usuarios a lograr un diseño de carga rápida GaN simple y eficiente.

En la actualidad, la aplicación de los dispositivos de energía GaN de Nitrogen Silicon Technology en campos de consumo como fuentes de alimentación PD y LED ha madurado gradualmente. Los fabricantes de electrodomésticos, así como de centros de datos, fotovoltaica y otras industrias, e incluso en el campo de la electrónica del automóvil, han mostrado sucesivamente un gran interés en los dispositivos de potencia GaN de Nitrosil Technology. Se informa que en el futuro, los productos de tecnología de silicio nitrógeno cooperarán con chips controladores de GaN de desarrollo propio para implementar gradualmente un mercado de módulos y dispositivos de potencia de GaN más estable y de mayor potencia.

El periodista se enteró de que Xinmin GaN power MOS se utiliza principalmente en carga súper rápida, fuente de alimentación LED y fuente de alimentación miniaturizada de alta densidad. Entre ellos, la carga súper rápida es el principal mercado del GaN tradicional, mientras que la fuente de alimentación LED, la fuente de alimentación miniaturizada de alta densidad, como los disyuntores y la fuente de alimentación de micro estaciones base son un campo innovador y también es el principal mercado de diseño de Xinmin.

Como principal mercado para el material semiconductor GaN de tercera generación, la carga rápida PD ha madurado gradualmente. En el futuro, las fuentes de alimentación de alta potencia, como LED, estaciones base y servidores, pueden convertirse en mercados de aplicaciones populares para los materiales de GaN.

El SiC brillará en el mercado de suministro de energía para automóviles

Shenzhen Mipson Semiconductor Co., Ltd. ("Mipson" para abreviar) ha estado comprometida con el desarrollo, la producción y la promoción del material semiconductor SiC de tercera generación desde su creación. La combinación dual ofrece a los clientes opciones más estables. En la actualidad, los productos de SiC de la empresa se han aplicado con madurez en los campos de carga rápida PD, suministro de energía para iluminación, inversores fotovoltaicos y suministro de energía para servidores; De acuerdo con los diferentes mercados correspondientes al segmento de voltaje, combinados con la última tecnología de proceso, los parámetros clave se diferencian para hacer que los productos sean más adecuados para los usuarios. Diseño. En la actualidad, MPS ha suministrado productos de resistencia interna ultrabaja SiC MOS en lotes y tiene la capacidad de compartir el mercado con marcas importadas y continúa invirtiendo en investigación y desarrollo para brindar opciones más rentables a los clientes a través de la mejora continua.

Según los informes, MPS ha desplegado activamente los mercados de suministro de energía para vehículos y tránsito ferroviario en el campo de materiales semiconductores de tercera generación, y ha llegado a acuerdos con varios fabricantes de automóviles nacionales líderes, y algunos productos ya han comenzado las pruebas a bordo.

En la actualidad, los dispositivos de SiC de Xinmin se utilizan principalmente en inversores, incluidos microinversores e inversores de alta potencia. En la actualidad, los principales productos lanzados por Xinmin son los diodos Schottky de SiC y los módulos Schottky. Se informa que el mercado de materiales semiconductores de tercera generación de Xinmin se implementará principalmente en ocasiones de suministro de energía de alta eficiencia y alta potencia, como pilas de carga y fuentes de alimentación de servidores.

A partir de este año, Tyco Tianrun Semiconductor Technology (Beijing) Co., Ltd. ("Tyco Tianrun") ha estado profundamente involucrada en el campo de los chips de SiC durante diez años y sus productos se han utilizado ampliamente en industrias (como la de alta -fuentes de alimentación LED, fuentes de alimentación para PC, fuentes de alimentación para comunicaciones, inversores fotovoltaicos y módulos de carga de la pila de carga, etc.), fuentes de alimentación para vehículos (como OBC, DCDC, etc.), mercado de consumo (como carga rápida PD) .

Qiu Qi, vicepresidente de marketing de Tyco Tianrun, cree que la futura dirección del suministro de energía es la miniaturización, el peso ligero y la alta densidad de potencia, y los campos emergentes como los vehículos eléctricos deben ser uno de los principales campos de aplicación de los dispositivos de carburo de silicio. Porque si el control electrónico del motor del vehículo eléctrico adopta la solución completa de carburo de silicio, se consumirá un promedio de seis obleas de carburo de silicio de seis pulgadas. El poder también está en los vehículos de nuevas energías.

Los vehículos de nuevas energías requieren una gran cantidad de componentes electrónicos y eléctricos. Estos dispositivos desempeñan un papel fundamental en el valor total, el tamaño, el volumen, el rendimiento dinámico, la capacidad de sobrecarga, la durabilidad y la fiabilidad del vehículo. Como principal dispositivo de potencia, el IGBT de silicio se utiliza en el controlador del motor de estos vehículos. El motor y su controlador representan entre el 7 % y el 10 % del coste total del vehículo, siendo el segundo componente más costoso después de la batería. Es el dispositivo clave que determina la eficiencia energética del vehículo. Al mismo tiempo, para lograr una mayor densidad de potencia y una alta fiabilidad, los dispositivos de carga rápida deben ofrecer un rendimiento superior, y la nueva generación de dispositivos de potencia para automóviles basados ​​en el material semiconductor de tercera generación SiC también destacará.

El proceso de sustitución interna continuará y el costo disminuirá gradualmente.

Desde la ola de falta de existencias en 2018, los grandes fabricantes extranjeros se centraron en abastecer a los clientes extranjeros al unísono, hasta el impacto de la epidemia en 2020, las bases de producción de los fabricantes extranjeros en el Sudeste Asiático se han visto gravemente afectadas por las reducciones de producción y las nacionales. Los fabricantes de marcas han asumido repetidamente la gran responsabilidad de la entrega. Además, el desarrollo vigoroso de semiconductores de tercera generación se ha convertido en una estrategia nacional. Combinado con la enorme demanda del mercado interno, existe un espacio sin precedentes para la localización y la sustitución, y también ha brindado a toda la cadena de la industria nacional de semiconductores de tercera generación la oportunidad de iterar.

Este año, gracias al apoyo estatal y a los incansables esfuerzos de la industria nacional de semiconductores, los semiconductores nacionales de tercera generación están creciendo a un ritmo increíble. En cuanto a los semiconductores de tercera generación, la brecha entre los semiconductores nacionales y extranjeros no es tan evidente como la de los semiconductores de primera y segunda generación. En cuanto a los diodos de SiC, los productos nacionales se han localizado básicamente y han entrado en los campos industrial y automotriz; en cuanto a los MOSFET de SiC, aún existen algunas brechas nacionales e internacionales; en cuanto al GaN, el mercado de equipos de radiofrecuencia de GaN de mi país continúa creciendo. Los principales pilares y principales impulsores del crecimiento son la infraestructura de comunicación inalámbrica, etc. En cuanto al GaN basado en silicio, ahora se utiliza principalmente en productos de carga rápida PD para teléfonos móviles. Debido a que los productos de consumo son muy sensibles al costo y el umbral técnico del producto en sí es menor que el de la clase industrial y la clase de vehículo, la brecha entre nacionales y extranjeros ya no será evidente en el futuro cercano.

Yuan Weiwang predice que en los próximos años SiC Schottky estará completamente localizado. En la actualidad, SiC MOS todavía se basa principalmente en ROHM en Japón, cree en Estados Unidos y STMicroelectronics e Infineon en Europa. La localización de MOS aún requiere un mayor pulido de los procesos técnicos, pero la tendencia a largo plazo sigue siendo la localización.

En la actualidad, la dirección del desarrollo de los dispositivos semiconductores de tercera generación es clara y las fábricas originales nacionales ocupan el momento y el lugar adecuados. Para el entorno nacional de SiC de materiales semiconductores de tercera generación, en los últimos dos años, bajo la presión de la guerra comercial entre China y Estados Unidos, las epidemias extranjeras y el cierre de fábricas de embalaje en el sudeste asiático, los fabricantes extranjeros que tomaron una decisión de esperar y Ver actitud hacia los fabricantes nacionales en los primeros años poco a poco abrió sus brazos. Los clientes también tienen una actitud abierta para comunicarse con los fabricantes originales nacionales. Por otro lado, existe un vínculo profundo entre algunos amigos extranjeros y los fabricantes de automóviles europeos y estadounidenses, y la capacidad de suministro a otros clientes ha disminuido. Debido a la oferta insuficiente, los clientes de referencia nacionales considerarán los semiconductores nacionales, incluido el SiC nacional.

Qiu Qi cree que, de 4 a 6 pulgadas de materiales de carburo de silicio e incluso 8 pulgadas en el futuro, el costo del material semiconductor SiC de tercera generación disminuirá, lo que hundirá el mercado segmentado del silicio.

Yang Yong, gerente de producto de Mipson, dijo que en el futuro, la brecha entre los materiales semiconductores de tercera generación y los productos de fabricantes extranjeros será cada vez más pequeña, hasta que alcancen o incluso superen, y el precio definitivamente se acercará. y más cerca de la atmósfera. Ke Wei, director de mercado de Nitrogen Silicon Technology, cree que dentro de 3 a 5 años, el coste de los dispositivos domésticos de energía GaN se acercará inevitablemente al precio de los MOS tradicionales basados ​​en silicio y se convertirá en el nuevo favorito del mercado.

Al proceso de sustitución nacional de materiales semiconductores de tercera generación todavía le queda un largo camino por recorrer. Yuan Weiwang cree que en los actuales semiconductores de tercera generación, los dispositivos GaN todavía están dominados por Navitas, PI y gansystem en Canadá. Los sectores industrial y de automoción todavía tienen un largo camino por recorrer.

Nueva dirección para el desarrollo de materiales semiconductores de tercera generación

Como es bien sabido, el objetivo de utilizar materiales semiconductores de tercera generación es mejorar la eficiencia y la densidad de potencia de los productos. Los productos de alta potencia se desarrollan principalmente a partir de IGBT de Si y MOSFET de SiC. Actualmente, se han comenzado a utilizar por completo en aplicaciones automotrices. La mejora de la eficiencia y la reducción de peso mejoran directamente la vida útil de las baterías de los vehículos eléctricos. Los productos de pequeña y mediana potencia se basan en el desarrollo de MOSFET de Si a HEMT de GaN, y sus principales aplicaciones son las fuentes de alimentación y los adaptadores de carga para centros de datos.

La energía consumida por el centro de datos representa aproximadamente el 10% de la generación eléctrica total. La fuente de alimentación diseñada con el material semiconductor de tercera generación GaN puede aumentar la eficiencia de 3 a 5 puntos, ahorrando así de 3 a 5 milésimas del consumo eléctrico del país. . Esto tiene implicaciones muy importantes para la neutralidad de carbono. En términos de adaptadores de carga, el uso de nitruro de galio puede reducir el volumen a la mitad y básicamente se ha convertido en una demanda rígida para los consumidores. Especialmente con la introducción de PD3.1, en el futuro, sólo necesitará traer un adaptador PD para cargar cualquier aparato eléctrico portátil. Será un mercado de mil millones de dólares.

Yang Yong cree que con el tono estratégico nacional de "neutralidad de carbono" y el apoyo continuo a los semiconductores de tercera generación, China definitivamente liderará el mercado mundial de consumo de materiales semiconductores de SiC de tercera generación en el futuro. Al mismo tiempo, a medida que el proceso nacional de SiC de materiales semiconductores de tercera generación comienza a madurar gradualmente y ha mantenido una producción estable, se cree que el problema de los materiales semiconductores de tercera generación se puede resolver fundamentalmente en un futuro próximo.

La tendencia a la localización es imparable. El semiconductor de tercera generación es el principal producto de los adelantamientos del país en las curvas. Con el avance de la tecnología, habrá un espacio de mercado muy amplio. "Los materiales semiconductores de tercera generación no son solo SiC y GaN, sino que también compuestos como el arseniuro de galio (GaAs) también son fuerzas importantes en el futuro y tendrán amplias aplicaciones en los actuales 5G PA, portadores de banda ancha de líneas eléctricas y otros campos. ". Dijo Yuan Weiwang.

Conclusión

Impulsados ​​por las políticas nacionales y el apoyo de la industria de los semiconductores, los materiales semiconductores de tercera generación representados por GaN y SiC se han convertido en un foco importante del desarrollo de la industria de los semiconductores. Especialmente en el campo de la carga rápida PD y los vehículos de nueva energía, el uso de materiales semiconductores de tercera generación GaN y SiC ha promovido en gran medida la innovación y la iteración de productos. En vista del estado actual de la sustitución nacional, a medida que los fabricantes nacionales continúen desarrollándose, innovando y superando dificultades técnicas, la posición de la industria nacional de semiconductores de tercera generación ocupará un lugar; El costo de los materiales semiconductores también disminuirá, y los materiales semiconductores de tercera generación, como GaN y SiC, se verán en muchos campos, como las redes inteligentes y el tránsito ferroviario para suministros de energía de mayor potencia.

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