Avant-propos

Les matériaux semi-conducteurs de troisième génération ont des performances et une structure de bande d'énergie supérieures, et sont largement utilisés dans la fabrication de dispositifs à radiofréquence, de dispositifs optoélectroniques, de dispositifs électriques, etc., et ont progressivement pénétré dans des domaines émergents tels que les communications 5G, la charge rapide PD. et les véhicules à énergie nouvelle. Orientation de développement importante de l’industrie des semi-conducteurs. Cependant, il est indéniable que les difficultés techniques des matériaux GaN et SiC existent toujours, que le degré de substitution nationale n'est pas élevé et que le coût est toujours élevé, ce qui nuit au processus de l'industrie des semi-conducteurs de troisième génération en Chine. En tant que matériaux clés pour améliorer l'efficacité des produits et la densité de puissance, l'état actuel du développement des matériaux semi-conducteurs de troisième génération GaN et SiC a attiré beaucoup d'attention.

Difficultés techniques et caractéristiques des matériaux GaN et SiC

À l'heure actuelle, les matériaux semi-conducteurs de troisième génération GaN et SiC sont reconnus et très concernés par le marché. Dans le domaine des semi-conducteurs de puissance, les initiés de l'industrie estiment qu'outre l'émission de lumière LED et la radiofréquence, les difficultés techniques du matériau semi-conducteur SiC de troisième génération résident principalement dans le contrôle des défauts du substrat. À l'heure actuelle, les matériaux de substrat à faible densité de défauts sont principalement produits par des fabricants européens, américains et japonais, et il faudra beaucoup de temps pour percer en Chine.

Dans le même temps, le processus SiC des matériaux semi-conducteurs de troisième génération est difficile à contrôler et les fluctuations des lots de produits conduisent à un faible rendement et à un monopole de l'approvisionnement en matériaux principaux. On en déduit même que le prix du marché est resté élevé, et qu'il n'est actuellement limité qu'à certains marchés d'applications. Cependant, par rapport à une série de ses propres caractéristiques telles qu'une perte plus faible, un rendement plus élevé, une résistance à haute tension et à haute température du SiC, l'application du matériau semi-conducteur de troisième génération SiC a commencé à changer davantage d'industries.

Contrairement au SiC, le GaN est relativement complexe. Le GaN n'est pas un MOSFET à proprement parler, mais un HEMT (transistor à haute mobilité électronique), dont les caractéristiques de commutation sont similaires à celles d'un MOSFET. Le HEMT GaN est une structure conductrice plane indépendante du substrat et peut être implémenté sur des substrats en saphir ou en silicium, mais il est difficile de mettre en œuvre des dispositifs normalement ouverts. Zhang Dajiang, directeur marketing de Zhuhai Gallium Future Technology Co., Ltd. (« Gallium Future » ​​en abrégé), estime qu'il existe deux solutions : l'une consiste à ajouter un dopage de type P à la grille pour bloquer le gaz d'électrons bidimensionnel et réaliser la fonction normalement fermée ; l'autre consiste à connecter un MOSFET basse tension en série avec la source et à contrôler ce MOSFET basse tension pour bloquer la grille GaN en tension négative. L'avantage du MOSFET est sa forte capacité anti-interférence.

De plus, les difficultés techniques actuelles du matériau semi-conducteur GaN de troisième génération proviennent également de nombreux autres aspects. En termes de difficulté de processus, les matériaux GaN sont confrontés à des défis tels que le rendement, la cohérence et la fiabilité des dispositifs ; Pour les entreprises GaN, comment peuvent-elles améliorer le contenu et le processus des tests et filtrer les tâches pour les clients de la manière la plus rapide et la plus précise ? Bon appareil ; La résistance élevée à la chaleur, la résistance aux hautes fréquences, le faible Vth et d'autres caractéristiques du GaN sont destinés à avoir une direction d'emballage différente de celle des dispositifs au silicium traditionnels ; dans le même temps, en termes d'application, l'ajout du matériau semi-conducteur GaN de troisième génération a bouleversé l'industrie traditionnelle de l'alimentation électrique. La nouvelle industrie de l'énergie a des exigences plus élevées envers les fabricants de puces de contrôle PWM et de transformateurs.

Le journaliste a appris que Chengdu Nitrogen Silicon Technology Co., Ltd. (appelée « Nitrogen Silicon Technology ») a construit un ensemble complet de lignes de test après une longue période de recherche et de pratique, qui peuvent non seulement sélectionner les dispositifs de travail normaux pour clients, mais peut également tester les appareils. Classez, fournissez aux clients des produits rentables qui peuvent répondre aux exigences et utilisez un grand nombre de données de tests pratiques pour aider le développement des processus de la fonderie à fournir des orientations d'amélioration. D'autre part, Nitrogen Silicon Technology recherche vigoureusement les technologies avancées d'emballage et de scellage pour améliorer les performances et la facilité d'utilisation des dispositifs GaN ; en parallèle, elle a contacté de grands fabricants de transformateurs et de puces PWM pour développer des solutions.

Yuan Weiwang, PDG de Xinmin Microelectronics (Shanghai) Co., Ltd. (appelé « Xinmin »), estime que le GaN est similaire aux dispositifs en silicium et que la résistance interne à haute température montre une augmentation de plus de 2 fois le coefficient. . Contrairement aux dispositifs au silicium, les commutateurs Au cours du processus, la contrainte électrique supplémentaire entraîne une augmentation dynamique de la résistance à l'état passant. Par conséquent, la difficulté technique des dispositifs GaN réside principalement dans la manière de gérer les différentes résistances internes causées par différentes durées d'utilisation et températures ambiantes, qui sont présentées comme suit :

1 : RDson présente un état instable à mesure que la température augmente, comme le montre la figure suivante :

Deux : RDson présente également un état instable au fil du temps, comme le montre la figure suivante :

Compte tenu des problèmes évoqués précédemment concernant les dispositifs GaN, la solution consiste à prendre en compte de manière exhaustive les facteurs de contrainte thermoélectrique et à envisager une conception à marge RDson 3 à 3.5 fois supérieure. Les dispositifs SiC sont globalement matures dans l'application des diodes Schottky actuelles. Le principal problème réside dans la stabilité des MOSFET SiC, qui nécessite un développement et une exploration à long terme du processus, et les difficultés techniques ont été largement surmontées.

En plus de la charge rapide des PD, le GaN s’attaque aux sources d’énergie de haute puissance

Gallium Future est l'un des principaux fabricants de dispositifs de puissance GaN en Chine, dédié à la R&D et à la production de produits GaN à structure Cascode. Selon les rapports, la structure combine la facilité d'utilisation des dispositifs au silicium et les caractéristiques haute fréquence et à haut rendement des dispositifs GaN pour obtenir des solutions d'alimentation à haute densité de puissance jusqu'à 10 kW. Les produits sont principalement utilisés pour les alimentations de serveurs haute puissance, les alimentations de stations de base, etc. Récemment, Gallium Future a lancé deux dispositifs GaN cascode SMD de petite taille pour les applications de charge rapide, G1N65R240PB et G1N65R480PA, correspondant à une charge rapide de 65 W et 33 W. applications respectivement. Grâce à sa forte capacité anti-interférence et à sa méthode de conduite simple, il aide les utilisateurs à réaliser une conception de charge rapide GaN simple et efficace.

À l'heure actuelle, l'application des dispositifs d'alimentation GaN de Nitrogen Silicon Technology dans les domaines grand public tels que les alimentations PD et LED a progressivement mûri. Les fabricants d'électroménager, mais aussi de centres de données, de photovoltaïque et d'autres industries, et même dans le domaine de l'électronique automobile, ont successivement manifesté un vif intérêt pour les dispositifs d'alimentation GaN de Nitrosil Technology. Il est rapporté qu'à l'avenir, les produits Nitrogen Silicon Technology coopéreront avec des puces de pilote GaN auto-développées pour déployer progressivement un marché de dispositifs et de modules d'alimentation GaN plus puissant et plus stable.

Le journaliste a appris que Xinmin GaN power MOS est principalement utilisé dans la charge ultra rapide, l'alimentation LED et l'alimentation miniaturisée haute densité. Parmi eux, la charge ultra rapide est le principal marché du GaN traditionnel, tandis que l'alimentation LED, l'alimentation miniaturisée haute densité, telle que les disjoncteurs, l'alimentation des micro-stations de base est un domaine innovant, et c'est également le principal marché de configuration de Xinmin.

En tant que marché principal du matériau semi-conducteur GaN de troisième génération, la charge rapide PD a progressivement mûri. À l’avenir, les alimentations haute puissance telles que les LED, les stations de base et les serveurs pourraient devenir des marchés d’application populaires pour les matériaux GaN.

Le SiC brillera sur le marché de l'alimentation électrique automobile

Shenzhen Mipson Semiconductor Co., Ltd. (« Mipson » en abrégé) s'est engagée dans le développement, la production et la promotion du matériau semi-conducteur SiC de troisième génération depuis sa création. La double combinaison offre aux clients des choix plus stables. À l'heure actuelle, les produits SiC de la société ont été appliqués à maturité dans les domaines de la charge rapide PD, de l'alimentation électrique pour l'éclairage, de l'onduleur photovoltaïque et de l'alimentation électrique des serveurs ; selon les différents marchés correspondant au segment de tension, combinés aux dernières technologies de processus, les paramètres clés sont différenciés pour rendre les produits plus adaptés aux utilisateurs. Conception. À l'heure actuelle, MPS fournit par lots des produits SiC MOS à très faible résistance interne, a la capacité de partager le marché avec des marques importées et continue d'investir dans la recherche et le développement pour offrir aux clients des options plus rentables grâce à une amélioration continue.

Selon certaines informations, MPS a activement déployé les marchés du transport ferroviaire et de l'alimentation électrique des véhicules dans le domaine des matériaux semi-conducteurs de troisième génération, et a conclu des accords avec un certain nombre de grands constructeurs automobiles nationaux, et certains produits ont déjà commencé des essais à bord.

Actuellement, les composants SiC de Xinmin sont principalement utilisés dans les onduleurs, notamment les micro-onduleurs et les onduleurs haute puissance. Les principaux produits lancés par Xinmin sont actuellement les diodes et modules Schottky SiC. Il est prévu que le marché des matériaux semi-conducteurs de troisième génération de Xinmin sera principalement déployé dans les alimentations à haut rendement et haute puissance, telles que les bornes de recharge et les alimentations de serveurs.

Depuis cette année, Tyco Tianrun Semiconductor Technology (Beijing) Co., Ltd. (« Tyco Tianrun ») est profondément impliquée dans le domaine des puces SiC depuis dix ans et ses produits ont été largement utilisés dans des industries (telles que celles de haute technologie). -alimentations LED, alimentations PC, alimentation de communication, onduleur photovoltaïque et module de charge de la pile de charge, etc.), alimentation du véhicule (telle que OBC, DCDC, etc.), marché grand public (telle que la charge rapide PD) .

Qiu Qi, vice-président du marketing de Tyco Tianrun, estime que l'orientation future de l'alimentation électrique est la miniaturisation, la légèreté et la densité de puissance élevée, et que les domaines émergents tels que les véhicules électriques doivent être l'un des principaux domaines d'application des dispositifs en carbure de silicium. Parce que si la commande électronique du moteur du véhicule électrique adopte la solution entièrement en carbure de silicium, une moyenne de six tranches de six pouces en carbure de silicium sera consommée. La puissance est également présente dans les véhicules à énergie nouvelle.

Les véhicules à énergies nouvelles nécessitent un grand nombre de composants électroniques et électriques. Ces composants jouent un rôle crucial dans la valeur globale, la taille, le volume, les performances dynamiques, la capacité de surcharge, la durabilité et la fiabilité de l'ensemble. Principal composant de puissance, l'IGBT à base de silicium est utilisé dans le contrôleur moteur des véhicules à énergies nouvelles. Le moteur et son contrôleur représentent environ 7 à 10 % du coût total du véhicule, soit le deuxième composant le plus coûteux après la batterie. Ce composant clé détermine l'efficacité énergétique du véhicule. Parallèlement, pour atteindre une densité de puissance et une fiabilité accrues, les dispositifs de charge rapide doivent offrir des performances supérieures. Une nouvelle génération de dispositifs de charge automobile basés sur le matériau semi-conducteur SiC de troisième génération est également en passe de se développer.

Le processus de substitution nationale se poursuivra et le coût diminuera progressivement

Depuis la vague de rupture de stock en 2018, les grands fabricants étrangers se sont concentrés sur l'approvisionnement des clients étrangers à l'unisson, jusqu'à l'impact de l'épidémie en 2020, les bases de production des fabricants étrangers en Asie du Sud-Est ont été gravement touchées par les réductions de production, et les les fabricants de marques ont assumé à plusieurs reprises la lourde responsabilité de la livraison. En outre, le développement vigoureux des semi-conducteurs de troisième génération est devenu une stratégie nationale. Combiné à l'énorme demande intérieure du marché, il existe un espace sans précédent pour la localisation et la substitution, et cela a également donné à l'ensemble de la chaîne industrielle nationale des semi-conducteurs de troisième génération l'occasion d'itérer.

Cette année, grâce au soutien de l'État et aux efforts inlassables de l'industrie nationale des semi-conducteurs, le marché national des semi-conducteurs de troisième génération connaît une croissance fulgurante. L'écart entre les semi-conducteurs nationaux et étrangers est moins marqué pour ces derniers que pour les semi-conducteurs de première et de deuxième génération. Concernant les diodes SiC, les produits nationaux sont essentiellement locaux et ont pénétré les secteurs industriel et automobile ; Concernant les Mosfet SiC, des lacunes subsistent, tant au niveau national qu'international ; Concernant le GaN, le marché chinois des équipements RF GaN poursuit sa croissance. Les infrastructures de communication sans fil constituent les principaux piliers et moteurs de croissance. Le GaN à base de silicium est désormais principalement utilisé dans les chargeurs rapides PD pour téléphones portables. Les produits grand public étant très sensibles aux coûts et leur niveau technique étant inférieur à celui des produits industriels et automobiles, l'écart entre les produits nationaux et étrangers ne sera plus flagrant dans un avenir proche.

Yuan Weiwang prédit que dans les prochaines années, SiC Schottky sera entièrement localisé. À l'heure actuelle, SiC MOS est encore principalement basé sur ROHM au Japon, cree aux États-Unis et STMicroelectronics et Infineon en Europe. La localisation des MOS nécessite encore un perfectionnement des processus techniques, mais la tendance à long terme reste la localisation.

À l'heure actuelle, l'orientation du développement des dispositifs semi-conducteurs de troisième génération est claire et les usines nationales d'origine occupent le bon moment et le bon endroit. Pour l'environnement SiC des matériaux semi-conducteurs nationaux de troisième génération, au cours des deux dernières années, sous la pression de la guerre commerciale sino-américaine, des épidémies étrangères et de la fermeture des usines d'emballage en Asie du Sud-Est, les fabricants étrangers ont attendu et voir l'attitude envers les fabricants nationaux dans les premières années a progressivement ouvert les bras. Les clients ont également une attitude ouverte pour communiquer avec les fabricants d'origine nationaux. D'un autre côté, il existe des liens profonds entre certains amis étrangers et les constructeurs automobiles européens et américains, et la capacité d'approvisionnement des autres clients a diminué. En raison de l'offre insuffisante, les clients de référence nationaux envisageront les semi-conducteurs nationaux, y compris le SiC national.

Qiu Qi estime que, de 4 pouces à 6 pouces de matériaux en carbure de silicium et même 8 pouces à l'avenir, le coût du matériau semi-conducteur SiC de troisième génération diminuera, ce qui fera sombrer le marché segmenté du silicium.

Yang Yong, chef de produit chez Mipson, a déclaré qu'à l'avenir, l'écart entre les matériaux semi-conducteurs de troisième génération et les produits des fabricants étrangers deviendra de plus en plus petit, jusqu'à ce qu'ils rattrapent ou même dépassent, et que le prix se rapprochera certainement. et plus proche de l'atmosphère. Ke Wei, responsable du marché de Nitrogen Silicon Technology, estime que d'ici 3 à 5 ans, le coût des dispositifs nationaux d'alimentation en GaN approchera inévitablement le prix des MOS traditionnels à base de silicium et deviendra le nouveau chouchou du marché.

Le processus de substitution nationale des matériaux semi-conducteurs de troisième génération a encore un long chemin à parcourir. Yuan Weiwang estime que dans les semi-conducteurs actuels de troisième génération, les dispositifs GaN sont toujours dominés par Navitas, PI et gansystem au Canada. Les secteurs industriel et automobile ont encore un long chemin à parcourir.

Nouvelle orientation pour le développement de matériaux semi-conducteurs de troisième génération

Comme chacun sait, l'utilisation de matériaux semi-conducteurs de troisième génération vise à améliorer l'efficacité et la densité de puissance des produits. Les produits haute puissance sont principalement développés, des IGBT Si aux MOSFET SiC. Ils commencent actuellement à être largement remplacés dans les applications automobiles. L'amélioration de l'efficacité et la réduction du poids améliorent directement la durée de vie des batteries des véhicules électriques. Les produits de petite et moyenne puissance sont issus du développement des MOSFET Si aux HEMT GaN, et leurs principales applications sont les alimentations pour centres de données et les adaptateurs de charge.

L'énergie consommée par le centre de données représente environ 10 % de la production totale d'électricité. L'alimentation électrique conçue avec le matériau semi-conducteur GaN de troisième génération peut augmenter l'efficacité de 3 à 5 points, économisant ainsi 3 à 5 millièmes de la consommation électrique du pays. . Cela a des implications très importantes pour la neutralité carbone. En termes d'adaptateurs de charge, l'utilisation de nitrure de gallium peut réduire le volume de moitié, et c'est fondamentalement devenu une demande rigide pour les consommateurs. Surtout avec l'introduction du PD3.1, à l'avenir, il vous suffira d'apporter un adaptateur PD pour charger tous les appareils électriques portables. Ce sera un marché d'un milliard de dollars.

Yang Yong estime qu'avec le ton stratégique national de « neutralité carbone » et son soutien continu aux semi-conducteurs de troisième génération, la Chine sera certainement à l'avenir à la tête du marché mondial de consommation des matériaux semi-conducteurs de troisième génération SiC. Dans le même temps, alors que le processus national SiC pour les matériaux semi-conducteurs de troisième génération commence à mûrir progressivement et est en production stable, on pense que le problème des matériaux semi-conducteurs de troisième génération peut être fondamentalement résolu dans un avenir proche.

La tendance à la localisation est imparable. Le semi-conducteur de troisième génération est le principal produit des dépassements du pays dans les virages. Avec les progrès de la technologie, l’espace de marché va s’élargir. « Les matériaux semi-conducteurs de troisième génération ne sont pas seulement le SiC et le GaN, mais également des composés tels que l'arséniure de gallium (GaAs) qui constituent également des forces importantes à l'avenir et auront de larges applications dans le PA 5G actuel, les transporteurs à large bande électriques et d'autres domaines. ". Yuan Weiwang a dit.

Conclusion

Poussés par les politiques nationales et le soutien de l’industrie des semi-conducteurs, les matériaux semi-conducteurs de troisième génération représentés par GaN et SiC sont devenus un axe important du développement de l’industrie des semi-conducteurs. En particulier dans le domaine de la charge rapide PD et des véhicules à énergie nouvelle, l'utilisation de matériaux semi-conducteurs de troisième génération GaN et SiC a grandement favorisé l'innovation et l'itération des produits. Compte tenu de l'état actuel de la substitution nationale, à mesure que les fabricants nationaux continuent de se développer, d'innover et de surmonter les difficultés techniques, la position de l'industrie nationale des semi-conducteurs de troisième génération occupera une place ; Le coût des matériaux semi-conducteurs diminuera également, et des matériaux semi-conducteurs de troisième génération tels que le GaN et le SiC seront utilisés dans de nombreux domaines tels que les réseaux intelligents et le transport ferroviaire pour les alimentations électriques de plus grande puissance.

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