Kata pengantar

Bahan semikonduktor generasi ketiga memiliki kinerja dan struktur pita energi yang unggul, dan banyak digunakan dalam pembuatan perangkat frekuensi radio, perangkat optoelektronik, perangkat listrik, dll., dan secara bertahap merambah ke bidang-bidang baru seperti komunikasi 5G, pengisian cepat PD dan kendaraan energi baru. Arah penting pengembangan industri semikonduktor. Namun tidak dapat dipungkiri bahwa kendala teknis pada material GaN dan SiC masih ada, tingkat substitusi dalam negeri yang rendah, dan biaya yang masih tinggi sehingga menghambat proses industri semikonduktor generasi ketiga di China. Sebagai material utama untuk meningkatkan efisiensi produk dan kepadatan daya, status pengembangan material semikonduktor generasi ketiga GaN dan SiC saat ini telah menarik banyak perhatian.

Kesulitan teknis dan karakteristik material GaN dan SiC

Saat ini material semikonduktor generasi ketiga GaN dan SiC telah dikenal dan sangat diminati pasar. Di bidang semikonduktor daya, orang dalam industri percaya bahwa, selain pemancar cahaya LED dan frekuensi radio, kesulitan teknis bahan semikonduktor SiC generasi ketiga terutama terletak pada pengendalian cacat substrat. Saat ini, bahan substrat dengan kepadatan cacat rendah sebagian besar diproduksi oleh pabrikan Eropa, Amerika, dan Jepang, dan akan membutuhkan waktu lama untuk menerobos di China.

Pada saat yang sama, proses SiC bahan semikonduktor generasi ketiga sulit dikendalikan, dan fluktuasi batch produk menyebabkan hasil yang rendah dan monopoli pasokan bahan utama. Bahkan disimpulkan bahwa harga pasarnya masih tinggi, dan saat ini hanya terbatas pada beberapa pasar aplikasi. Namun, dibandingkan dengan serangkaian karakteristiknya sendiri seperti kehilangan lebih rendah, efisiensi lebih tinggi, tegangan tinggi dan ketahanan suhu tinggi SiC, penerapan bahan semikonduktor SiC generasi ketiga telah mulai mengubah lebih banyak industri.

Berbeda dengan SiC, GaN relatif kompleks. GaN bukanlah MOSFET dalam arti sebenarnya, melainkan HEMT (High Electron Mobility Transistor), yang memiliki karakteristik switching mirip dengan MOSFET. GaN HEMT adalah struktur konduktif planar yang tidak bergantung pada substrat dan dapat diterapkan pada substrat safir atau silikon, namun sulit untuk diterapkan pada perangkat yang biasanya mati. Zhang Dajiang, Direktur Pemasaran Zhuhai Gallium Future Technology Co., Ltd. ("Gallium Future"), percaya bahwa ada dua solusi: pertama adalah menambahkan doping tipe-P ke gerbang untuk memblokir gas elektron dua dimensi dan mewujudkan fungsi yang biasanya tertutup; Salah satunya adalah menghubungkan MOSFET tegangan rendah secara seri dengan sumbernya, dan mengontrol MOSFET tegangan rendah untuk mematikan tegangan negatif gerbang GaN. Keunggulannya adalah MOSFET memiliki kemampuan anti interferensi yang kuat.

Selain itu, kesulitan teknis bahan semikonduktor generasi ketiga GaN saat ini juga berasal dari banyak aspek lain. Dalam hal kesulitan proses, material GaN menghadapi tantangan seperti hasil perangkat, konsistensi, dan keandalan; bagi perusahaan GaN, bagaimana mereka dapat meningkatkan konten dan proses pengujian serta menyaring pekerjaan untuk pelanggan dengan cara tercepat dan paling akurat? Perangkat bagus; Ketahanan panas GaN yang tinggi, ketahanan frekuensi tinggi, Vth rendah, dan karakteristik lainnya ditakdirkan untuk memiliki arah pengemasan yang berbeda dari perangkat silikon tradisional; pada saat yang sama, dalam penerapannya, penambahan bahan semikonduktor generasi ketiga GaN telah menumbangkan industri pasokan listrik tradisional. Industri tenaga listrik baru memiliki persyaratan yang lebih tinggi untuk chip kontrol PWM dan produsen transformator.

Reporter mengetahui bahwa Chengdu Nitrogen Silicon Technology Co., Ltd. (disebut sebagai "Teknologi Silikon Nitrogen") telah membangun serangkaian jalur pengujian lengkap setelah penelitian dan praktik jangka panjang, yang tidak hanya dapat memilih perangkat yang berfungsi normal untuk pelanggan, tetapi juga dapat menguji perangkat. Klasifikasikan, berikan pelanggan produk hemat biaya yang dapat memenuhi persyaratan, dan gunakan sejumlah besar data uji praktis untuk membantu pengembangan proses pengecoran guna memberikan arahan perbaikan. Di sisi lain, Nitrogen Silicon Technology dengan giat meneliti teknologi pengemasan dan penyegelan canggih untuk meningkatkan kinerja dan kemudahan penggunaan perangkat GaN; pada saat yang sama, pihaknya telah menghubungi produsen besar transformator dan chip PWM untuk mengembangkan solusi.

Yuan Weiwang, CEO Xinmin Microelectronics (Shanghai) Co., Ltd. (disebut sebagai "Xinmin"), percaya bahwa GaN mirip dengan perangkat silikon, dan resistansi internal pada suhu tinggi menunjukkan peningkatan lebih dari 2 kali lipat koefisiennya. . Tidak seperti perangkat silikon, saklar Selama proses tersebut, tekanan listrik tambahan menyebabkan resistansi meningkat secara dinamis. Oleh karena itu, kesulitan teknis perangkat GaN terutama terletak pada cara menangani perbedaan resistansi internal yang disebabkan oleh perbedaan waktu penggunaan dan suhu lingkungan, yang ditunjukkan sebagai berikut:

1: RDson menunjukkan keadaan tidak stabil seiring dengan kenaikan suhu, seperti terlihat pada gambar berikut:

Kedua: RDson juga menunjukkan keadaan tidak stabil dari waktu ke waktu, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut:

Berdasarkan masalah perangkat GaN yang disebutkan di atas, solusinya adalah dengan mempertimbangkan faktor tegangan termoelektrik secara komprehensif, dan mempertimbangkan penggunaan desain margin RDson 3-3.5 kali. Perangkat SiC pada dasarnya sudah matang dalam penerapan dioda Schottky saat ini. Masalah utamanya adalah stabilitas MOSFET SiC, yang memerlukan debugging dan eksplorasi proses jangka panjang, dan kesulitan teknis pada dasarnya telah diatasi.

Selain pengisian cepat PD, GaN juga menyerang sumber daya berdaya tinggi

Gallium Future adalah produsen perangkat listrik GaN terkemuka di Tiongkok, yang berdedikasi pada penelitian dan pengembangan serta produksi produk GaN berstruktur Cascode. Menurut laporan, struktur tersebut menggabungkan kemudahan penggunaan perangkat silikon dan karakteristik frekuensi tinggi dan efisiensi tinggi dari perangkat GaN untuk mencapai solusi daya dengan kepadatan daya tinggi hingga 10KW. Produk ini terutama digunakan untuk catu daya server berdaya tinggi, catu daya stasiun pangkalan, dll. Baru-baru ini, Gallium Future telah meluncurkan dua perangkat GaN cascode SMD berukuran kecil untuk aplikasi pengisian cepat, G1N65R240PB dan G1N65R480PA, yang sesuai dengan pengisian cepat 65W dan 33W aplikasi masing-masing. Dengan kemampuan anti-interferensi yang kuat dan metode mengemudi yang sederhana, membantu pengguna mencapai desain pengisian cepat GaN yang sederhana dan efisien.

Saat ini, penerapan perangkat listrik GaN Teknologi Nitrogen Silicon di bidang konsumen seperti catu daya PD dan LED secara bertahap telah matang. Produsen barang putih, serta pusat data, fotovoltaik dan industri lainnya, dan bahkan di bidang elektronik otomotif berturut-turut menunjukkan minat yang kuat terhadap perangkat listrik GaN dari Teknologi Nitrosil. Dilaporkan bahwa di masa depan, produk Teknologi Silikon Nitrogen akan bekerja sama dengan chip driver GaN yang dikembangkan sendiri untuk secara bertahap menerapkan pasar perangkat dan modul daya GaN yang lebih tinggi dan lebih stabil.

Reporter mengetahui bahwa MOS daya Xinmin GaN terutama digunakan dalam pengisian daya super cepat, catu daya LED, dan catu daya miniatur berkepadatan tinggi. Diantaranya, pengisian daya super cepat adalah pasar utama GaN tradisional, sedangkan catu daya LED, catu daya miniatur berdensitas tinggi, seperti pemutus sirkuit, catu daya stasiun pangkalan mikro adalah bidang yang inovatif, dan juga merupakan pasar tata letak utama. Xinmin.

Sebagai pasar utama bahan semikonduktor generasi ketiga GaN, pengisian cepat PD secara bertahap telah matang. Di masa depan, pasokan listrik berdaya tinggi seperti LED, stasiun pangkalan, dan server dapat menjadi pasar aplikasi populer untuk material GaN.

SiC akan bersinar di pasar pasokan listrik otomotif

Shenzhen Mipson Semiconductor Co., Ltd. ("Mipson" singkatnya) telah berkomitmen untuk pengembangan, produksi dan promosi bahan semikonduktor generasi ketiga SiC sejak didirikan. Kombinasi ganda memberi pelanggan pilihan yang lebih stabil. Saat ini, produk SiC perusahaan telah diterapkan secara matang di bidang pengisian cepat PD, catu daya penerangan, inverter fotovoltaik, dan catu daya server; sesuai dengan pasar yang berbeda sesuai dengan segmen tegangan, dikombinasikan dengan teknologi proses terbaru, parameter utama dibedakan untuk membuat produk lebih sesuai bagi pengguna. Desain. Saat ini, MPS telah memasok produk resistansi internal sangat rendah SiC MOS secara bertahap, dan memiliki kemampuan untuk berbagi pasar dengan merek impor, dan terus berinvestasi dalam penelitian dan pengembangan untuk menghadirkan opsi yang lebih hemat biaya kepada pelanggan melalui peningkatan berkelanjutan.

Menurut laporan, MPS telah secara aktif mengerahkan pasar angkutan kereta api dan pasokan listrik kendaraan di bidang bahan semikonduktor generasi ketiga, dan telah mencapai kesepakatan dengan sejumlah produsen mobil domestik terkemuka, dan beberapa produk telah memulai uji coba di dalam pesawat.

Saat ini, perangkat SiC Xinmin terutama digunakan pada inverter, termasuk inverter mikro dan inverter berdaya tinggi. Saat ini, produk utama yang diluncurkan Xinmin adalah dioda SiC Schottky dan modul Schottky. Dilaporkan bahwa pasar bahan semikonduktor generasi ketiga Xinmin terutama akan digunakan pada saat-saat pasokan listrik berefisiensi tinggi dan berdaya tinggi seperti tumpukan pengisian daya dan pasokan listrik server.

Pada tahun ini, Tyco Tianrun Semiconductor Technology (Beijing) Co., Ltd. ("Tyco Tianrun") telah terlibat secara mendalam di bidang chip SiC selama sepuluh tahun, dan produknya telah banyak digunakan di industri (seperti high - Catu daya LED daya, catu daya PC, catu daya komunikasi, inverter fotovoltaik, dan modul pengisian tumpukan pengisian daya, dll.), catu daya kendaraan (seperti OBC, DCDC, dll.), pasar konsumen (seperti pengisian cepat PD) .

Qiu Qi, wakil presiden pemasaran Tyco Tianrun, percaya bahwa arah pasokan listrik di masa depan adalah miniaturisasi, bobot yang ringan, dan kepadatan daya yang tinggi, dan bidang-bidang yang sedang berkembang seperti kendaraan listrik harus menjadi salah satu bidang aplikasi utama perangkat silikon karbida. Karena jika kontrol elektronik motor kendaraan listrik mengadopsi solusi silikon karbida penuh, rata-rata akan dikonsumsi enam wafer silikon karbida enam inci. Tenaga juga ada pada kendaraan energi baru.

Kendaraan energi baru membutuhkan sejumlah besar komponen elektronik dan listrik otomotif. Perangkat ini memainkan peran yang sangat penting dalam nilai keseluruhan, ukuran, volume, kinerja dinamis, kapasitas kelebihan beban, daya tahan dan keandalan mesin secara keseluruhan. Sebagai perangkat daya dominan, IGBT berbasis silikon digunakan dalam pengendali motor kendaraan energi baru, dan motor dan pengendalinya menyumbang sekitar 7%-10% dari biaya keseluruhan kendaraan, yang merupakan komponen biaya tertinggi kedua setelah baterai. Perangkat kunci yang menentukan efisiensi energi seluruh kendaraan. Pada saat yang sama, untuk mencapai kepadatan daya yang lebih tinggi dan keandalan yang tinggi, perangkat daya pengisian cepat perlu memiliki kinerja yang lebih kuat, dan generasi baru perangkat daya otomotif berdasarkan bahan semikonduktor generasi ketiga SiC juga akan bersinar.

Proses substitusi dalam negeri akan terus berlanjut dan biayanya akan menurun secara bertahap

Mulai dari gelombang kehabisan stok pada tahun 2018, pabrikan asing besar fokus pada penyediaan pelanggan asing secara bersamaan, hingga dampak epidemi pada tahun 2020, basis produksi pabrikan asing di Asia Tenggara sangat terkena dampak pengurangan produksi, dan domestik produsen merek telah berulang kali memikul tanggung jawab pengiriman yang berat. Selain itu, pengembangan semikonduktor generasi ketiga yang gencar telah ditingkatkan menjadi strategi nasional. Dikombinasikan dengan pasar permintaan domestik yang besar, terdapat ruang yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk lokalisasi dan substitusi, dan hal ini juga memberikan peluang bagi seluruh rantai industri semikonduktor generasi ketiga dalam negeri untuk melakukan iterasi.

Tahun ini, berkat dukungan negara dan upaya tak henti-hentinya dari industri semikonduktor domestik, semikonduktor domestik generasi ketiga tumbuh dengan kecepatan yang luar biasa. Dalam hal semikonduktor generasi ketiga, kesenjangan antara semikonduktor domestik dan asing tidak sejelas semikonduktor generasi pertama dan kedua. Sejauh menyangkut dioda SiC, produk dalam negeri pada dasarnya telah terlokalisasi dan telah memasuki bidang industri dan otomotif; dalam hal SiC MOSFET, masih ada beberapa kesenjangan di dalam dan luar negeri; dalam hal GaN, skala pasar peralatan RF GaN negara saya terus tumbuh. Pilar utama dan pendorong pertumbuhan utama adalah infrastruktur komunikasi nirkabel, dll. Dalam hal GaN berbasis silikon, sekarang terutama digunakan dalam produk pengisian cepat PD ponsel, karena produk konsumen sangat sensitif terhadap biaya, dan ambang batas teknis produk itu sendiri lebih rendah daripada Kelas industri dan kelas kendaraan, kesenjangan antara domestik dan asing tidak akan lagi terlihat dalam waktu dekat.

Yuan Weiwang memperkirakan dalam beberapa tahun ke depan, SiC Schottky akan sepenuhnya terlokalisasi. Saat ini, SiC MOS masih berbasis ROHM di Jepang, cree di Amerika Serikat, dan STMicroelectronics dan Infineon di Eropa. Lokalisasi MOS masih memerlukan penyempurnaan proses teknis lebih lanjut, namun tren jangka panjangnya masih lokalisasi.

Saat ini, arah pengembangan perangkat semikonduktor generasi ketiga sudah jelas, dan pabrik asli dalam negeri menempati waktu dan tempat yang tepat. Untuk lingkungan SiC material semikonduktor generasi ketiga dalam negeri, dalam dua tahun terakhir, di bawah tekanan perang dagang Tiongkok-AS, epidemi asing, dan penutupan pabrik pengemasan di Asia Tenggara, produsen asing harus menunggu dan- melihat sikap terhadap produsen dalam negeri pada tahun-tahun awal secara bertahap membuka tangan mereka. Pelanggan juga memiliki sikap terbuka untuk berkomunikasi dengan produsen asli dalam negeri. Di sisi lain, terdapat ikatan yang erat antara beberapa negara asing dengan produsen mobil Eropa dan Amerika, dan kapasitas pasokan ke pelanggan lain telah menurun. Karena pasokan yang tidak mencukupi, pelanggan benchmark domestik akan mempertimbangkan semikonduktor domestik termasuk SiC domestik.

Qiu Qi percaya bahwa, dari bahan silikon karbida 4 inci menjadi 6 inci dan bahkan 8 inci di masa depan, biaya bahan semikonduktor SiC generasi ketiga akan turun, yang akan menenggelamkan pasar silikon yang tersegmentasi.

Yang Yong, manajer produk Mipson, mengatakan bahwa di masa depan, kesenjangan antara bahan semikonduktor generasi ketiga dan produk pabrikan asing akan semakin mengecil, hingga bisa mengejar atau bahkan melampauinya, dan harganya pasti akan semakin dekat. dan lebih dekat dengan atmosfer. Ke Wei, manajer pasar Nitrogen Silicon Technology, percaya bahwa dalam 3-5 tahun, harga perangkat listrik GaN dalam negeri pasti akan mendekati harga MOS berbasis silikon tradisional dan menjadi kesayangan pasar baru.

Proses substitusi bahan semikonduktor generasi ketiga di dalam negeri masih panjang. Yuan Weiwang yakin pada semikonduktor generasi ketiga saat ini, perangkat GaN masih didominasi oleh Navitas, PI dan gansystem di Kanada. Perjalanan sektor industri dan otomotif masih panjang.

Arah baru untuk pengembangan bahan semikonduktor generasi ketiga

Seperti yang kita ketahui, tujuan penggunaan material semikonduktor generasi ketiga adalah untuk meningkatkan efisiensi produk dan kepadatan daya. Produk berdaya tinggi terutama dikembangkan dari IGBT Si hingga MOSFET SiC. Saat ini, produk-produk tersebut telah mulai sepenuhnya digantikan dalam aplikasi kendaraan. Peningkatan efisiensi dan pengurangan bobot secara langsung meningkatkan masa pakai baterai kendaraan listrik. Produk berdaya kecil dan menengah merupakan pengembangan dari MOSFET Si hingga HEMT GaN, dan aplikasi utamanya adalah catu daya pusat data dan adaptor pengisian daya.

Energi yang dikonsumsi oleh pusat data menyumbang sekitar 10% dari total pembangkit listrik. Catu daya yang dirancang dengan bahan semikonduktor generasi ketiga GaN dapat meningkatkan efisiensi sebesar 3 hingga 5 poin, sehingga menghemat 3 hingga 5 per seribu konsumsi listrik negara. . Hal ini memiliki implikasi yang sangat penting terhadap netralitas karbon. Dalam hal adaptor pengisi daya, penggunaan galium nitrida dapat mengurangi volumenya hingga setengahnya, dan pada dasarnya telah menjadi permintaan yang kaku bagi konsumen. Apalagi dengan diperkenalkannya PD3.1, kedepannya Anda hanya perlu membawa adaptor PD untuk mengisi daya peralatan listrik portabel apa pun. Ini akan menjadi pasar bernilai miliaran dolar.

Yang Yong percaya bahwa dengan nada strategis nasional "netralitas karbon" dan dukungan berkelanjutan untuk semikonduktor generasi ketiga, Tiongkok pasti akan memimpin pasar konsumen SiC material semikonduktor generasi ketiga global di masa depan. Pada saat yang sama, karena proses SiC material semikonduktor generasi ketiga dalam negeri mulai matang secara bertahap, dan produksinya stabil, diyakini bahwa masalah material semikonduktor generasi ketiga dapat diselesaikan secara mendasar dalam waktu dekat.

Tren lokalisasi tidak bisa dihentikan. Semikonduktor generasi ketiga adalah produk utama negara yang menyalip di tikungan. Dengan kemajuan teknologi maka akan terdapat ruang pasar yang sangat luas. “Bahan semikonduktor generasi ketiga tidak hanya SiC dan GaN, tetapi juga senyawa seperti gallium arsenide (GaAs) juga merupakan kekuatan penting di masa depan, dan akan memiliki aplikasi luas dalam 5G PA saat ini, operator broadband saluran listrik, dan bidang lainnya. ." Kata Yuan Wei Wang.

Kesimpulan

Didorong oleh kebijakan nasional dan dukungan industri semikonduktor, material semikonduktor generasi ketiga yang diwakili oleh GaN dan SiC telah menjadi fokus penting pengembangan industri semikonduktor. Khususnya di bidang pengisian cepat PD dan kendaraan energi baru, penggunaan bahan semikonduktor generasi ketiga GaN dan SiC telah sangat mendorong inovasi dan iterasi produk. Mengingat status substitusi dalam negeri saat ini, ketika produsen dalam negeri terus berkembang dan berinovasi serta menerobos kesulitan teknis, posisi industri semikonduktor generasi ketiga dalam negeri akan menempati tempatnya; Biaya bahan semikonduktor juga akan menurun, dan bahan semikonduktor generasi ketiga seperti GaN dan SiC akan terlihat di banyak bidang seperti jaringan pintar dan angkutan kereta api untuk pasokan listrik dengan daya lebih tinggi.

Penafian: Artikel ini direproduksi dari "Industri Manufaktur Cerdas Elektronik", artikel ini hanya mewakili pandangan pribadi penulis, bukan pandangan Sacco Micro dan industri, hanya untuk dicetak ulang dan dibagikan, untuk mendukung perlindungan hak kekayaan intelektual, harap sebutkan aslinya sumber dan penulis. , jika ada pelanggaran, silakan hubungi kami untuk menghapusnya.