مقدمه

مواد نیمه هادی نسل سوم دارای عملکرد برتر و ساختار باند انرژی هستند و به طور گسترده در ساخت دستگاه های فرکانس رادیویی، دستگاه های الکترونیک نوری، دستگاه های قدرت و غیره استفاده می شوند و به تدریج در زمینه های نوظهور مانند ارتباطات 5G، شارژ سریع PD نفوذ کرده اند. و خودروهای انرژی نو جهت توسعه مهم صنعت نیمه هادی. با این حال، غیرقابل انکار است که مشکلات فنی مواد GaN و SiC هنوز وجود دارد، درجه جایگزینی داخلی زیاد نیست، و هزینه آن هنوز بالا است، که روند صنعت نیمه هادی نسل سوم در چین را آزار می دهد. به عنوان مواد کلیدی برای بهبود کارایی محصول و چگالی توان، وضعیت توسعه فعلی مواد نیمه هادی نسل سوم GaN و SiC توجه زیادی را به خود جلب کرده است.

مشکلات فنی و ویژگی های مواد GaN و SiC

در حال حاضر، نسل سوم مواد نیمه هادی GaN و SiC توسط بازار به رسمیت شناخته شده و بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در زمینه نیمه هادی های قدرت، صاحبان صنعت معتقدند که علاوه بر ساطع نور LED و فرکانس رادیویی، مشکلات فنی نسل سوم مواد نیمه هادی SiC عمدتاً در کنترل عیوب بستر است. در حال حاضر، مواد زیرلایه با تراکم نقص کم عمدتاً توسط سازندگان اروپایی، آمریکایی و ژاپنی تولید می‌شوند و مدت زمان زیادی طول می‌کشد تا در چین نفوذ کنند.

در عین حال، کنترل فرآیند SiC مواد نیمه هادی نسل سوم دشوار است و نوسانات دسته ای محصول منجر به بازده کم و انحصار تامین مواد اصلی می شود. حتی استنباط می شود که قیمت بازار همچنان بالا مانده است و در حال حاضر فقط به برخی از بازارهای کاربردی محدود شده است. با این حال، در مقایسه با یک سری از ویژگی های خود مانند تلفات کمتر، راندمان بالاتر، ولتاژ بالا و مقاومت در برابر دمای بالا SiC، استفاده از مواد نیمه هادی نسل سوم SiC شروع به تغییر صنایع بیشتری کرده است.

برخلاف SiC، GaN نسبتاً پیچیده است. GaN یک ماسفت به معنای واقعی نیست، بلکه یک HEMT (ترانزیستور با تحرک الکترون بالا) است که دارای ویژگی سوئیچینگ مشابه ماسفت است. GaN HEMT یک ساختار رسانای مسطح است که به زیرلایه بستگی ندارد و می توان آن را بر روی زیرلایه های یاقوت کبود یا سیلیکونی اجرا کرد، اما اجرای دستگاه های خاموش معمولی دشوار است. ژانگ داجیانگ، مدیر بازاریابی Zhuhai Gallium Future Technology Co., Ltd. (به اختصار "Gallium Future") معتقد است که دو راه حل وجود دارد: یکی اضافه کردن دوپینگ نوع P به دروازه برای مسدود کردن گاز الکترونی دو بعدی. و تابع به طور معمول بسته را درک کنید. یکی این است که یک ماسفت ولتاژ پایین را به صورت سری به منبع وصل کنید و ماسفت ولتاژ پایین را کنترل کنید تا خاموش شدن ولتاژ منفی گیت GaN را فراهم کند. مزیت این است که ماسفت توانایی ضد تداخل قوی دارد.

علاوه بر این، مشکلات فنی فعلی مواد نیمه هادی نسل سوم GaN نیز از جنبه های بسیار دیگری ناشی می شود. از نظر دشواری فرآیند، مواد GaN با چالش هایی مانند عملکرد دستگاه، سازگاری و قابلیت اطمینان روبرو هستند. برای شرکت‌های GaN، چگونه می‌توانند محتوای آزمایشی را بهبود بخشند و مشاغل را برای مشتریان به سریع‌ترین و دقیق‌ترین روش پردازش و بررسی کنند؟ دستگاه خوب؛ مقاومت حرارتی بالای GaN، مقاومت فرکانس بالا، Vth کم و سایر ویژگی‌های GaN دارای جهت بسته‌بندی متفاوت از دستگاه‌های سیلیکونی سنتی است. در عین حال، در کاربرد، افزودن نسل سوم مواد نیمه هادی GaN صنعت سنتی منبع تغذیه را واژگون کرده است. صنعت برق جدید نیازمندی های بالاتری برای تراشه های کنترل PWM و سازندگان ترانسفورماتور دارد.

خبرنگار دریافت که Chengdu Nitrogen Silicon Technology Co., Ltd. (به عنوان "تکنولوژی سیلیکون نیتروژن" نامیده می شود) پس از یک دوره طولانی تحقیق و تمرین مجموعه کاملی از خطوط آزمایشی را ساخته است که نه تنها می تواند دستگاه های کار معمولی را انتخاب کند. مشتریان، اما همچنین می توانند دستگاه ها را آزمایش کنند. طبقه بندی کنید، محصولات مقرون به صرفه ای را به مشتریان ارائه دهید که می توانند الزامات را برآورده کنند، و از تعداد زیادی داده های آزمایشی عملی برای کمک به توسعه فرآیند ریخته گری برای ارائه دستورالعمل های بهبود استفاده کنید. از سوی دیگر، نیتروژن سیلیکون فناوری به شدت در مورد فن آوری بسته بندی و آب بندی پیشرفته تحقیق می کند تا عملکرد و سهولت استفاده از دستگاه های GaN را افزایش دهد. در همان زمان، با سازندگان بزرگ ترانسفورماتورها و تراشه های PWM برای توسعه راه حل ها تماس گرفته است.

Yuan Weiwang، مدیر عامل شرکت Xinmin Microelectronics (Shanghai) (به نام "Xinmin") معتقد است که GaN مشابه دستگاه های سیلیکونی است و مقاومت داخلی در دمای بالا افزایش بیش از 2 برابر ضریب را نشان می دهد. . بر خلاف دستگاه های سیلیکونی، سوئیچ در طول فرآیند، فشار الکتریکی اضافی باعث می شود که مقاومت روشن به صورت پویا افزایش یابد. بنابراین، دشواری فنی دستگاه‌های GaN عمدتاً در نحوه مقابله با مقاومت‌های داخلی مختلف ناشی از زمان استفاده و دمای محیط متفاوت است که به شرح زیر نشان داده شده است:

1: همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، RDson با افزایش دما یک حالت ناپایدار را نشان می دهد:

دو: RDson همچنین وضعیت ناپایدار را در طول زمان نشان می دهد، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است:

بر اساس مشکلات فوق الذکر دستگاه های GaN، راه حل این است که عوامل تنش ترموالکتریک را به طور جامع در نظر بگیرید و از طراحی حاشیه RDson 3-3.5 استفاده کنید. دستگاه های SiC اساساً در کاربرد دیودهای شاتکی فعلی بالغ هستند. مشکل اصلی پایداری ماسفت های SiC است که نیاز به اشکال زدایی و کاوش طولانی مدت فرآیند دارد و اساساً مشکلات فنی برطرف شده است.

علاوه بر شارژ سریع PD، GaN به منابع انرژی با قدرت بالا حمله می کند

Gallium Future یک تولید کننده پیشرو دستگاه قدرت GaN در چین است که به تحقیق و توسعه و تولید محصولات GaN ساختار Cascode اختصاص دارد. طبق گزارش‌ها، این ساختار سهولت استفاده از دستگاه‌های سیلیکونی و ویژگی‌های فرکانس بالا و راندمان بالا دستگاه‌های GaN را برای دستیابی به راه‌حل‌های توان با چگالی توان بالا تا 10 کیلووات ترکیب می‌کند. این محصولات عمدتاً برای منابع تغذیه سرور پرقدرت، منابع تغذیه ایستگاه پایه و غیره استفاده می شوند. اخیراً Gallium Future دو دستگاه GaN cascode SMD با اندازه کوچک را برای برنامه های شارژ سریع، G1N65R240PB و G1N65R480PA، مربوط به شارژ سریع 65 وات و 33 وات راه اندازی کرده است. برنامه های کاربردی به ترتیب. با توانایی ضد تداخل قوی و روش رانندگی ساده، به کاربران کمک می کند تا به طراحی ساده و کارآمد شارژ سریع GaN دست یابند.

در حال حاضر، کاربرد دستگاه های قدرت GaN فناوری نیتروژن سیلیکون در زمینه های مصرفی مانند منابع تغذیه PD و LED به تدریج بالغ شده است. تولیدکنندگان کالاهای سفید و همچنین مراکز داده، فتوولتائیک و سایر صنایع و حتی در زمینه الکترونیک خودرو به طور متوالی علاقه زیادی به دستگاه های قدرت GaN از فناوری Nitrosil نشان داده اند. گزارش شده است که در آینده، محصولات Nitrogen Silicon Technology با تراشه های درایور GaN خود توسعه یافته همکاری خواهند کرد تا به تدریج یک بازار دستگاه و ماژول قدرت GaN با قدرت بالاتر و پایدارتر را گسترش دهند.

خبرنگار دریافت که Xinmin GaN power MOS عمدتاً در شارژ فوق سریع، منبع تغذیه LED و منبع تغذیه با چگالی بالا مینیاتوری استفاده می شود. در میان آنها، شارژ فوق سریع بازار اصلی GaN سنتی است، در حالی که منبع تغذیه LED، منبع تغذیه با چگالی بالا مینیاتوری، مانند قطع کننده مدار، منبع تغذیه ایستگاه پایه میکرو یک زمینه نوآورانه است، و همچنین بازار طرح اصلی است. شینمین.

به عنوان بازار اصلی برای نسل سوم مواد نیمه هادی GaN، شارژ سریع PD به تدریج بالغ شده است. در آینده، منابع تغذیه با قدرت بالا مانند LED ها، ایستگاه های پایه و سرورها ممکن است به بازارهای کاربردی محبوب برای مواد GaN تبدیل شوند.

SiC در بازار تامین برق خودرو خواهد درخشید

Shenzhen Mipson Semiconductor Co., Ltd. (به اختصار "Mipson") از زمان تاسیس خود متعهد به توسعه، تولید و ترویج نسل سوم مواد نیمه هادی SiC بوده است. ترکیب دوگانه انتخاب های پایدارتری را برای مشتریان فراهم می کند. در حال حاضر، محصولات SiC این شرکت به طور کامل در زمینه های شارژ سریع PD، منبع تغذیه روشنایی، اینورتر فتوولتائیک و منبع تغذیه سرور استفاده شده است. با توجه به بازارهای مختلف مربوط به بخش ولتاژ، همراه با آخرین فناوری فرآیند، پارامترهای کلیدی متمایز می شوند تا محصولات برای کاربران مناسب تر شوند. طرح. در حال حاضر MPS محصولات با مقاومت داخلی فوق العاده کم SiC MOS را به صورت دسته‌ای عرضه کرده است و این توانایی را دارد که بازار را با برندهای وارداتی به اشتراک بگذارد و همچنان به سرمایه‌گذاری در تحقیق و توسعه ادامه می‌دهد تا از طریق بهبود مستمر گزینه‌های مقرون‌به‌صرفه‌تری را برای مشتریان به ارمغان بیاورد.

بر اساس گزارش ها، MPS به طور فعال بازارهای حمل و نقل ریلی و تامین برق خودرو را در زمینه مواد نیمه هادی نسل سوم راه اندازی کرده است و با تعدادی از خودروسازان پیشرو داخلی به توافقاتی دست یافته است و برخی از محصولات قبلاً آزمایشات خود را آغاز کرده اند.

در حال حاضر دستگاه های SiC شرکت Xinmin عمدتاً در اینورترها از جمله میکرو اینورترها و اینورترهای پرقدرت استفاده می شوند. در حال حاضر، محصولات اصلی عرضه شده توسط Xinmin دیودهای SiC Schottky و ماژول های Schottky هستند. گزارش شده است که بازار مواد نیمه هادی نسل سوم Xinmin عمدتاً در مناسبت های منبع تغذیه با راندمان بالا و توان بالا مانند شمع های شارژ و منابع تغذیه سرور مستقر خواهد شد.

از سال جاری، Tyco Tianrun Semiconductor Technology (Beijing) Co., Ltd. ("Tyco Tianrun") ده سال است که عمیقاً در زمینه تراشه های SiC درگیر بوده است و محصولات آن به طور گسترده در صنایع (مانند بالا) استفاده می شود. -منابع برق LED، منابع تغذیه رایانه شخصی، منبع تغذیه ارتباطی، اینورتر فتوولتائیک و ماژول شارژ شمع شارژ و غیره)، منبع تغذیه خودرو (مانند OBC، DCDC و غیره)، بازار مصرف کننده (مانند شارژ سریع PD) .

کیو چی، معاون بازاریابی شرکت تایکو تیانرون، معتقد است که جهت‌گیری آینده‌ی منبع تغذیه، کوچک‌سازی، وزن سبک و چگالی توان بالا است و حوزه‌های نوظهوری مانند خودروهای الکتریکی باید یکی از زمینه‌های اصلی کاربرد دستگاه‌های کاربید سیلیکون باشند. زیرا اگر کنترل الکترونیکی موتور خودروهای الکتریکی از محلول کامل کاربید سیلیکون استفاده کند، به طور متوسط ​​شش ویفر شش اینچی کاربید سیلیکون مصرف خواهد شد. همچنین، برق در خودروهای انرژی جدید نیز وجود دارد.

خودروهای انرژی نو به تعداد زیادی قطعات الکترونیکی و الکتریکی خودرو نیاز دارند. این دستگاه‌ها نقش بسیار مهمی در ارزش کلی، اندازه، حجم، عملکرد دینامیکی، ظرفیت اضافه بار، دوام و قابلیت اطمینان کل دستگاه ایفا می‌کنند. IGBT مبتنی بر سیلیکون به عنوان دستگاه قدرت غالب، در کنترل‌کننده موتور خودروهای انرژی نو استفاده می‌شود و موتور و کنترل‌کننده آن حدود 7 تا 10 درصد از هزینه کل خودرو را تشکیل می‌دهند که پس از باتری، دومین جزء پرهزینه است. دستگاه کلیدی که راندمان انرژی کل خودرو را تعیین می‌کند. در عین حال، برای دستیابی به چگالی توان بالاتر و قابلیت اطمینان بالا، دستگاه‌های قدرت شارژ سریع باید عملکرد قوی‌تری داشته باشند و نسل جدیدی از دستگاه‌های قدرت خودرو مبتنی بر ماده نیمه‌هادی نسل سوم SiC نیز خواهند درخشید.

روند جایگزینی داخلی ادامه خواهد داشت و هزینه به تدریج کاهش می یابد

از موج خروج از بورس در سال 2018، تمرکز تولیدکنندگان بزرگ خارجی بر تامین یکپارچه مشتریان خارجی، تا تاثیر اپیدمی در سال 2020، پایه های تولید تولیدکنندگان خارجی در آسیای جنوب شرقی به شدت تحت تاثیر کاهش تولید و داخلی قرار گرفته است. تولید کنندگان برند بارها مسئولیت سنگین تحویل را بر عهده گرفته اند. علاوه بر این، نیمه هادی های نسل سوم به شدت در حال توسعه به یک استراتژی ملی ارتقا یافته است. همراه با بازار عظیم تقاضای داخلی، فضای بی‌سابقه‌ای برای بومی‌سازی و جایگزینی وجود دارد و همچنین به کل زنجیره صنعت نیمه‌رساناهای نسل سوم داخلی فرصتی برای تکرار داده است.

امسال، به لطف حمایت دولت و تلاش‌های بی‌وقفه صنعت نیمه‌هادی داخلی، نیمه‌هادی‌های داخلی نسل سوم با سرعتی باورنکردنی در حال رشد هستند. در مورد نیمه‌هادی‌های نسل سوم، شکاف بین نیمه‌هادی‌های داخلی و خارجی به اندازه نیمه‌هادی‌های نسل اول و دوم آشکار نیست. در مورد دیودهای SiC، محصولات داخلی اساساً بومی‌سازی شده و وارد حوزه‌های صنعتی و خودروسازی شده‌اند. در مورد SiC Mosfet، هنوز شکاف‌هایی در داخل و خارج از کشور وجود دارد. در مورد GaN، مقیاس بازار تجهیزات GaN RF کشور من همچنان در حال رشد است. ستون‌های اصلی و محرک‌های اصلی رشد، زیرساخت‌های ارتباط بی‌سیم و غیره هستند. در مورد GaN مبتنی بر سیلیکون، اکنون عمدتاً در محصولات شارژ سریع PD تلفن همراه استفاده می‌شود، زیرا محصولات مصرفی بسیار حساس به هزینه هستند و آستانه فنی خود محصول کمتر از کلاس صنعتی و کلاس خودرو است، شکاف بین داخلی و خارجی در آینده نزدیک دیگر آشکار نخواهد بود.

Yuan Weiwang پیش بینی می کند که در چند سال آینده، SiC Schottky به طور کامل بومی سازی خواهد شد. در حال حاضر، SiC MOS هنوز عمدتاً بر اساس ROHM در ژاپن، cree در ایالات متحده و STMicroelectronics و Infineon در اروپا است. بومی سازی MOS همچنان نیازمند پرداخت بیشتر فرآیندهای فنی است، اما روند بلندمدت همچنان بومی سازی است.

در حال حاضر، جهت توسعه دستگاه های نیمه هادی نسل سوم مشخص است و کارخانه های اصلی داخلی زمان و مکان مناسب را اشغال می کنند. برای محیط داخلی SiC مواد نیمه هادی نسل سوم داخلی، در دو سال گذشته، تحت فشار جنگ تجاری چین و آمریکا، اپیدمی های خارجی، و تعطیلی کارخانه های بسته بندی در جنوب شرقی آسیا، تولیدکنندگان خارجی منتظر ماندند. نگاه کنید به نگرش نسبت به تولید کنندگان داخلی در سال های اولیه به تدریج آغوش خود را باز کرد. مشتریان همچنین نگرش باز برای برقراری ارتباط با تولید کنندگان اصلی داخلی دارند. از سوی دیگر، پیوند عمیقی بین برخی دوستان خارجی و خودروسازان اروپایی و آمریکایی وجود دارد و ظرفیت عرضه به سایر مشتریان کاهش یافته است. به دلیل عرضه ناکافی، مشتریان معیار داخلی، نیمه هادی های داخلی از جمله SiC داخلی را در نظر خواهند گرفت.

Qiu Qi معتقد است که از 4 اینچ به 6 اینچ مواد کاربید سیلیکون و حتی 8 اینچ در آینده، هزینه نسل سوم مواد نیمه هادی SiC کاهش می یابد که بازار سیلیکون تقسیم شده را غرق خواهد کرد.

یانگ یونگ، مدیر محصول Mipson، گفت که در آینده، شکاف بین مواد نیمه هادی نسل سوم و محصولات تولید کنندگان خارجی کمتر و کمتر می شود، تا زمانی که آنها به عقب یا حتی پیشی بگیرند، و قیمت قطعا نزدیک تر خواهد شد. و به جو نزدیک تر است. Ke Wei، مدیر بازار فناوری نیتروژن سیلیکون، معتقد است که طی 3 تا 5 سال، هزینه دستگاه های برق GaN داخلی به ناچار به قیمت MOS های سنتی مبتنی بر سیلیکون نزدیک می شود و به عزیز جدید بازار تبدیل می شود.

روند جایگزینی داخلی مواد نیمه هادی نسل سوم هنوز راه زیادی در پیش دارد. Yuan Weiwang معتقد است که در نیمه هادی های نسل سوم فعلی، دستگاه های GaN همچنان تحت سلطه Navitas، PI و gansystem در کانادا هستند. بخش های صنعتی و خودروسازی هنوز راه درازی در پیش دارند.

جهت جدید برای توسعه مواد نیمه هادی نسل سوم

همانطور که همه ما می‌دانیم، هدف از استفاده از مواد نیمه‌هادی نسل سوم، بهبود راندمان و چگالی توان محصول است. محصولات پرقدرت عمدتاً از Si IGBTها به SiC MOSFETها توسعه می‌یابند. در حال حاضر، جایگزینی کامل آنها در کاربردهای خودرو آغاز شده است. بهبود راندمان و کاهش وزن مستقیماً عمر باتری خودروهای الکتریکی را بهبود می‌بخشد. محصولات توان کوچک و متوسط، توسعه Si MOSFETها به GaN HEMTها هستند و کاربردهای اصلی آنها منبع تغذیه مراکز داده و آداپتورهای شارژ است.

انرژی مصرف شده توسط مرکز داده حدود 10 درصد از کل تولید برق را تشکیل می دهد. منبع تغذیه طراحی شده با ماده نیمه هادی نسل سوم GaN می تواند بازده را بین 3 تا 5 امتیاز افزایش دهد و در نتیجه 3 تا 5 هزارم در مصرف برق کشور صرفه جویی کند. . این پیامدهای بسیار مهمی برای خنثی بودن کربن دارد. از نظر آداپتورهای شارژ، استفاده از نیترید گالیوم می تواند حجم را به نصف کاهش دهد و اساساً به یک تقاضای سفت و سخت برای مصرف کنندگان تبدیل شده است. به خصوص با معرفی PD3.1، در آینده فقط باید یک آداپتور PD برای شارژ هر وسیله برقی قابل حمل همراه داشته باشید. این یک بازار میلیارد دلاری خواهد بود.

یانگ یونگ معتقد است که با لحن استراتژیک ملی "خنثی بودن کربن" و حمایت مستمر از نیمه هادی های نسل سوم، چین قطعاً در آینده بازار مصرف جهانی مواد نیمه هادی SiC نسل سوم را رهبری خواهد کرد. در عین حال، از آنجایی که فرآیند SiC مواد نیمه هادی داخلی نسل سوم به تدریج شروع به بلوغ می کند و در تولید پایدار بوده است، اعتقاد بر این است که مشکل مواد نیمه هادی نسل سوم می تواند در آینده نزدیک به طور اساسی حل شود.

روند بومی سازی غیرقابل توقف است. نیمه هادی نسل سوم محصول اصلی سبقت کشور در پیچ هاست. با پیشرفت تکنولوژی، فضای بازار بسیار وسیعی وجود خواهد داشت. مواد نیمه هادی نسل سوم نه تنها SiC و GaN هستند، بلکه ترکیباتی مانند آرسنید گالیم (GaAs) نیز نیروهای مهمی در آینده هستند و کاربردهای گسترده ای در PA فعلی 5G، حامل خطوط برق پهن باند و سایر زمینه ها خواهند داشت. " یوان ویوانگ گفت.

نتیجه

با هدایت سیاست های ملی و حمایت از صنعت نیمه هادی، مواد نیمه هادی نسل سوم که توسط GaN و SiC ارائه می شوند، به کانون مهم توسعه صنعت نیمه هادی تبدیل شده اند. به خصوص در زمینه شارژ سریع PD و وسایل نقلیه انرژی جدید، استفاده از مواد نیمه هادی نسل سوم GaN و SiC به شدت نوآوری و تکرار محصول را ارتقا داده است. با توجه به وضعیت فعلی جایگزینی داخلی، با ادامه توسعه و نوآوری تولیدکنندگان داخلی و شکستن مشکلات فنی، جایگاه صنعت نیمه هادی نسل سوم داخلی جایگاهی را اشغال خواهد کرد. هزینه مواد نیمه هادی نیز کاهش می یابد و مواد نیمه هادی نسل سوم مانند GaN و SiC در بسیاری از زمینه ها مانند شبکه های هوشمند و حمل و نقل ریلی برای منابع تغذیه با توان بالاتر دیده می شوند.

سلب مسئولیت: این مقاله از "صنعت تولید هوشمند الکترونیک" تکثیر شده است، این مقاله فقط بیانگر دیدگاه های شخصی نویسنده است، نه Sacco Micro و دیدگاه های صنعت، فقط برای تجدید چاپ و به اشتراک گذاری، برای حمایت از حمایت از حقوق مالکیت معنوی، لطفا اصل را ذکر کنید. منبع و نویسنده ، در صورت وجود هرگونه تخلف، لطفا با ما تماس بگیرید تا آن را حذف کنیم.