Prefazione

I materiali semiconduttori di terza generazione hanno prestazioni e struttura di banda energetica superiori e sono ampiamente utilizzati nella produzione di dispositivi a radiofrequenza, dispositivi optoelettronici, dispositivi di alimentazione, ecc. e sono gradualmente penetrati in campi emergenti come le comunicazioni 5G, la ricarica rapida PD e veicoli a nuova energia. Importante direzione di sviluppo dell'industria dei semiconduttori. Tuttavia, è innegabile che le difficoltà tecniche dei materiali GaN e SiC sussistono ancora, il grado di sostituzione interna non è elevato e i costi sono ancora elevati, il che affligge il processo dell’industria dei semiconduttori di terza generazione in Cina. Essendo materiali chiave per migliorare l'efficienza del prodotto e la densità di potenza, l'attuale stato di sviluppo dei materiali semiconduttori di terza generazione GaN e SiC ha attirato molta attenzione.

Difficoltà tecniche e caratteristiche dei materiali GaN e SiC

Allo stato attuale, i materiali semiconduttori di terza generazione GaN e SiC sono stati riconosciuti e fortemente preoccupati dal mercato. Nel campo dei semiconduttori di potenza, gli addetti ai lavori ritengono che, oltre all'emissione di luce LED e alla radiofrequenza, le difficoltà tecniche del materiale semiconduttore di terza generazione SiC risiedano principalmente nel controllo dei difetti del substrato. Al momento, i materiali del substrato con bassa densità di difetti sono prodotti principalmente da produttori europei, americani e giapponesi e ci vorrà molto tempo per sfondare in Cina.

Allo stesso tempo, il processo SiC del materiale semiconduttore di terza generazione è difficile da controllare e le fluttuazioni dei lotti di prodotto portano a una bassa resa e al monopolio della fornitura del materiale principale. Si deduce addirittura che il prezzo di mercato sia rimasto elevato, ed attualmente sia limitato solo ad alcuni mercati applicativi. Tuttavia, rispetto a una serie di caratteristiche proprie come minori perdite, maggiore efficienza, alta tensione e resistenza alle alte temperature del SiC, l'applicazione del materiale semiconduttore di terza generazione SiC ha iniziato a cambiare più settori.

A differenza del SiC, il GaN è relativamente complesso. Il GaN non è un MOSFET nel senso stretto del termine, ma un HEMT (High Electron Mobility Transistor), che ha una caratteristica di commutazione simile a quella di un MOSFET. L'HEMT del GaN è una struttura conduttiva planare che non dipende dal substrato e può essere implementata sia su substrati di zaffiro che di silicio, ma è difficile da implementare in dispositivi normalmente spenti. Zhang Dajiang, Direttore Marketing di Zhuhai Gallium Future Technology Co., Ltd. ("Gallium Future" in breve), ritiene che esistano due soluzioni: una è aggiungere drogaggio di tipo P al gate per bloccare il gas di elettroni bidimensionale e realizzare la funzione normalmente chiusa; un'altra è collegare un MOSFET a bassa tensione in serie al source e controllare il MOSFET a bassa tensione per fornire lo spegnimento a tensione negativa del gate del GaN. Il vantaggio è che il MOSFET ha una forte capacità anti-interferenza.

Inoltre, le attuali difficoltà tecniche del materiale semiconduttore di terza generazione GaN derivano anche da molti altri aspetti. In termini di difficoltà di processo, i materiali GaN devono affrontare sfide quali resa, consistenza e affidabilità del dispositivo; per le aziende GaN, come possono migliorare il contenuto dei test ed elaborare ed escludere i lavori per i clienti nel modo più rapido e accurato? Buon dispositivo; L'elevata resistenza al calore, la resistenza alle alte frequenze, il basso Vth e altre caratteristiche del GaN sono destinate ad avere una direzione di confezionamento diversa rispetto ai tradizionali dispositivi in ​​silicio; allo stesso tempo, nell'applicazione, l'aggiunta del materiale semiconduttore di terza generazione GaN ha sovvertito il tradizionale settore dell'alimentazione elettrica. Il nuovo settore energetico ha requisiti più elevati per i chip di controllo PWM e i produttori di trasformatori.

Il giornalista ha appreso che Chengdu Nitrogen Silicon Technology Co., Ltd. (denominata "Nitrogen Silicon Technology") ha costruito una serie completa di linee di test dopo un lungo periodo di ricerca e pratica, che non solo può selezionare i normali dispositivi funzionanti per clienti, ma possono anche testare i dispositivi. Classificare, fornire ai clienti prodotti convenienti in grado di soddisfare i requisiti e utilizzare un gran numero di dati di test pratici per aiutare lo sviluppo del processo della fonderia a fornire indicazioni di miglioramento. D'altra parte, Nitrogen Silicon Technology ricerca vigorosamente tecnologie avanzate di imballaggio e sigillatura per migliorare le prestazioni e la facilità d'uso dei dispositivi GaN; contestualmente ha contattato i maggiori produttori di trasformatori e chip PWM per sviluppare soluzioni.

Yuan Weiwang, CEO di Xinmin Microelectronics (Shanghai) Co., Ltd. (denominata "Xinmin"), ritiene che il GaN sia simile ai dispositivi al silicio e che la resistenza interna ad alta temperatura mostri un aumento di oltre 2 volte il coefficiente . A differenza dei dispositivi al silicio, l'interruttore Durante il processo, lo stress elettrico aggiuntivo fa aumentare dinamicamente la resistenza. Pertanto, la difficoltà tecnica dei dispositivi GaN risiede principalmente nel come gestire le diverse resistenze interne causate dai diversi tempi di utilizzo e dalla temperatura ambiente, che sono mostrate come segue:

1: RDson presenta uno stato instabile all'aumentare della temperatura, come mostrato nella figura seguente:

Due: RDson mostra anche uno stato instabile nel tempo, come mostrato nella figura seguente:

Sulla base dei problemi dei dispositivi GaN sopra menzionati, la soluzione consiste nel considerare in modo completo i fattori di stress termoelettrico e valutare l'utilizzo di un progetto con margine RDson pari a 3-3.5 volte. I dispositivi SiC sono sostanzialmente maturi nell'applicazione degli attuali diodi Schottky. Il problema principale è la stabilità dei MOSFET SiC, che richiede un debugging e un'esplorazione di processo a lungo termine, e le difficoltà tecniche sono state sostanzialmente superate.

Oltre alla ricarica rapida PD, il GaN sta attaccando le fonti di energia ad alta potenza

Gallium Future è un produttore leader di dispositivi di potenza GaN in Cina, dedicato alla ricerca e sviluppo e alla produzione di prodotti GaN con struttura Cascode. Secondo i rapporti, la struttura combina la facilità d'uso dei dispositivi al silicio e le caratteristiche di alta frequenza e alta efficienza dei dispositivi GaN per ottenere soluzioni di potenza ad alta densità di potenza fino a 10KW. I prodotti vengono utilizzati principalmente per alimentatori per server ad alta potenza, alimentatori per stazioni base, ecc. Recentemente, Gallium Future ha lanciato due dispositivi GaN cascode SMD di piccole dimensioni per applicazioni di ricarica rapida, G1N65R240PB e G1N65R480PA, corrispondenti alla ricarica rapida da 65 W e 33 W. applicazioni rispettivamente. Con la sua forte capacità anti-interferenza e il metodo di guida semplice, aiuta gli utenti a ottenere un design di ricarica rapida GaN semplice ed efficiente.

Allo stato attuale, l'applicazione dei dispositivi di alimentazione GaN di Nitrogen Silicon Technology in campi di consumo come gli alimentatori PD e LED è gradualmente maturata. I produttori di elettrodomestici, data center, fotovoltaico e altri settori, e anche nel campo dell'elettronica automobilistica, hanno successivamente mostrato un forte interesse per i dispositivi di potenza GaN di Nitrosil Technology. È stato riferito che in futuro, i prodotti Nitrogen Silicon Technology coopereranno con chip driver GaN auto-sviluppati per implementare gradualmente un mercato di dispositivi e moduli di potenza GaN più potente e più stabile.

Il giornalista ha appreso che il MOS di potenza Xinmin GaN viene utilizzato principalmente nella ricarica super veloce, nell'alimentatore LED e nell'alimentatore miniaturizzato ad alta densità. Tra questi, la ricarica super veloce è il mercato principale del tradizionale GaN, mentre l'alimentazione a LED, l'alimentazione miniaturizzata ad alta densità, come gli interruttori automatici, l'alimentazione della micro stazione base è un campo innovativo, ed è anche il mercato principale del layout di Xinmin.

Essendo il mercato principale per il materiale semiconduttore di terza generazione GaN, la ricarica rapida PD è gradualmente maturata. In futuro, gli alimentatori ad alta potenza come LED, stazioni base e server potrebbero diventare mercati applicativi popolari per i materiali GaN.

Il SiC brillerà nel mercato degli alimentatori automobilistici

Shenzhen Mipson Semiconductor Co., Ltd. ("Mipson" in breve) è impegnata nello sviluppo, nella produzione e nella promozione del materiale semiconduttore di terza generazione SiC sin dalla sua fondazione. La doppia combinazione offre ai clienti scelte più stabili. Attualmente, i prodotti SiC dell'azienda sono stati applicati in modo maturo nei settori della ricarica rapida PD, dell'alimentazione elettrica, dell'inverter fotovoltaico e dell'alimentazione del server; in base ai diversi mercati corrispondenti al segmento di tensione, combinati con la più recente tecnologia di processo, i parametri chiave sono differenziati per rendere i prodotti più adatti agli utenti. Progetto. Al momento, MPS ha fornito prodotti SiC MOS a resistenza interna ultrabassa in lotti e ha la capacità di condividere il mercato con marchi importati e continua a investire in ricerca e sviluppo per offrire ai clienti opzioni più convenienti attraverso il miglioramento continuo.

Secondo i rapporti, MPS ha attivamente implementato i mercati del trasporto ferroviario e dell'alimentazione dei veicoli nel campo dei materiali semiconduttori di terza generazione e ha raggiunto accordi con una serie di importanti produttori di automobili nazionali e alcuni prodotti hanno già iniziato le prove a bordo.

Attualmente, i dispositivi SiC di Xinmin sono utilizzati principalmente negli inverter, inclusi microinverter e inverter ad alta potenza. I principali prodotti lanciati da Xinmin sono i diodi Schottky SiC e i moduli Schottky. Si prevede che il mercato dei materiali semiconduttori di terza generazione di Xinmin sarà utilizzato principalmente in applicazioni di alimentazione ad alta efficienza e potenza, come stazioni di ricarica e alimentatori per server.

A partire da quest'anno, Tyco Tianrun Semiconductor Technology (Beijing) Co., Ltd. ("Tyco Tianrun") è stata profondamente coinvolta nel campo dei chip SiC per dieci anni e i suoi prodotti sono stati ampiamente utilizzati nelle industrie (come ad esempio l'alta -alimentatori LED, alimentatori per PC, alimentatori per comunicazioni, inverter fotovoltaico e modulo di ricarica della pila di ricarica, ecc.), alimentatori per veicoli (come OBC, DCDC, ecc.), mercato dei consumatori (come la ricarica rapida PD) .

Qiu Qi, vicepresidente marketing di Tyco Tianrun, ritiene che la futura direzione dell'alimentazione elettrica sia la miniaturizzazione, la leggerezza e l'elevata densità di potenza, e che settori emergenti come i veicoli elettrici debbano essere uno dei principali campi di applicazione dei dispositivi in ​​carburo di silicio. Perché se il controllo elettronico del motore del veicolo elettrico adotta la soluzione completa al carburo di silicio, verranno consumati in media sei wafer da sei pollici di carburo di silicio. La potenza è anche nei veicoli a nuova energia.

I veicoli a nuova energia richiedono un gran numero di componenti elettronici ed elettrici per autoveicoli. Questi dispositivi svolgono un ruolo molto importante nel valore complessivo, nelle dimensioni, nel volume, nelle prestazioni dinamiche, nella capacità di sovraccarico, nella durata e nell'affidabilità dell'intera macchina. Come dispositivo di potenza dominante, l'IGBT al silicio viene utilizzato nel controller del motore dei veicoli a nuova energia; il motore e il suo controller rappresentano circa il 7%-10% del costo dell'intero veicolo, che rappresenta la seconda componente più costosa dopo la batteria. Il dispositivo chiave che determina l'efficienza energetica dell'intero veicolo. Allo stesso tempo, per ottenere una maggiore densità di potenza e un'elevata affidabilità, i dispositivi di alimentazione a ricarica rapida devono avere prestazioni più elevate, e anche una nuova generazione di dispositivi di potenza per autoveicoli basati sul materiale semiconduttore di terza generazione SiC si distinguerà.

Il processo di sostituzione interna continuerà e i costi diminuiranno gradualmente

Dall’ondata di esaurimento delle scorte nel 2018, in cui i grandi produttori stranieri si sono concentrati sulla fornitura ai clienti stranieri all’unisono, fino all’impatto dell’epidemia nel 2020, le basi produttive dei produttori stranieri nel sud-est asiatico sono state gravemente colpite dalle riduzioni della produzione e dalle esportazioni nazionali. i produttori del marchio si sono ripetutamente assunti la pesante responsabilità della consegna. Inoltre, lo sviluppo vigoroso dei semiconduttori di terza generazione è stato inserito in una strategia nazionale. In combinazione con l’enorme mercato della domanda interna, c’è uno spazio senza precedenti per la localizzazione e la sostituzione, e ha anche dato all’intera catena industriale nazionale dei semiconduttori di terza generazione l’opportunità di iterare.

Quest'anno, grazie al sostegno dello Stato e agli incessanti sforzi dell'industria nazionale dei semiconduttori, i semiconduttori nazionali di terza generazione stanno crescendo a una velocità incredibile. Per quanto riguarda i semiconduttori di terza generazione, il divario tra i semiconduttori nazionali ed esteri non è così evidente come quello tra i semiconduttori di prima e seconda generazione. Per quanto riguarda i diodi SiC, i prodotti nazionali sono stati sostanzialmente localizzati e sono entrati nei settori industriale e automobilistico; per quanto riguarda i MOSFET SiC, ci sono ancora alcune lacune in patria e all'estero; per quanto riguarda il GaN, la scala del mercato delle apparecchiature RF GaN del mio Paese continua a crescere. I pilastri principali e i principali motori di crescita sono le infrastrutture di comunicazione wireless, ecc. Per quanto riguarda il GaN a base di silicio, ora viene utilizzato principalmente nei prodotti di ricarica rapida PD per telefoni cellulari, poiché i prodotti di consumo sono molto sensibili ai costi e la soglia tecnica del prodotto stesso è inferiore a quella della classe industriale e della classe dei veicoli, il divario tra nazionale ed estero non sarà più evidente nel prossimo futuro.

Yuan Weiwang prevede che nei prossimi anni il SiC Schottky sarà completamente localizzato. Attualmente, il SiC MOS si basa ancora principalmente su ROHM in Giappone, cree negli Stati Uniti e STMicroelectronics e Infineon in Europa. La localizzazione dei MOS richiede ancora un ulteriore perfezionamento dei processi tecnici, ma la tendenza a lungo termine è ancora la localizzazione.

Allo stato attuale, la direzione dello sviluppo dei dispositivi a semiconduttore di terza generazione è chiara e le fabbriche originali nazionali occupano il momento e il luogo giusti. Per l’ambiente nazionale del materiale semiconduttore SiC di terza generazione, negli ultimi due anni, sotto la pressione della guerra commerciale sino-americana, delle epidemie straniere e della chiusura delle fabbriche di imballaggio nel sud-est asiatico, i produttori stranieri che hanno preso un atteggiamento attendista vedere l'atteggiamento nei confronti dei produttori nazionali nei primi anni ha gradualmente aperto le braccia. I clienti hanno anche un atteggiamento aperto nel comunicare con i produttori originali nazionali. D'altro canto, esiste un legame profondo tra alcuni amici stranieri e i produttori di automobili europei e americani, e la capacità di fornitura ad altri clienti è diminuita. A causa dell'offerta insufficiente, i clienti di riferimento nazionali prenderanno in considerazione i semiconduttori nazionali, compreso il SiC nazionale.

Qiu Qi ritiene che, da 4 pollici a 6 pollici di materiali in carburo di silicio e anche a 8 pollici in futuro, il costo del materiale semiconduttore di terza generazione SiC diminuirà, il che affonderà il mercato segmentato del silicio.

Yang Yong, product manager di Mipson, ha affermato che in futuro il divario tra i materiali semiconduttori di terza generazione e i prodotti dei produttori stranieri diventerà sempre più piccolo, fino a raggiungere o addirittura superare, e il prezzo si avvicinerà sicuramente. e più vicino all'atmosfera. Ke Wei, responsabile del mercato di Nitrogen Silicon Technology, ritiene che entro 3-5 anni il costo dei dispositivi di potenza GaN domestici si avvicinerà inevitabilmente al prezzo dei tradizionali MOS a base di silicio e diventeranno i nuovi beniamini del mercato.

Il processo di sostituzione nazionale dei materiali semiconduttori di terza generazione ha ancora molta strada da fare. Yuan Weiwang ritiene che negli attuali semiconduttori di terza generazione, i dispositivi GaN siano ancora dominati da Navitas, PI e gansystem in Canada. I settori industriale e automobilistico hanno ancora molta strada da fare.

Nuova direzione per lo sviluppo di materiali semiconduttori di terza generazione

Come tutti sappiamo, lo scopo dell'utilizzo di materiali semiconduttori di terza generazione è migliorare l'efficienza e la densità di potenza del prodotto. I prodotti ad alta potenza sono sviluppati principalmente dagli IGBT al SiC ai MOSFET al SiC. Attualmente, hanno iniziato a essere completamente sostituiti nelle applicazioni veicolari. Il miglioramento dell'efficienza e la riduzione del peso migliorano direttamente la durata della batteria dei veicoli elettrici. I prodotti di piccola e media potenza sono lo sviluppo dei MOSFET al SiC e degli HEMT al GaN, e le principali applicazioni sono gli alimentatori per data center e gli adattatori di ricarica.

L'energia consumata dal data center rappresenta circa il 10% della produzione totale di energia. L'alimentatore progettato con il materiale semiconduttore di terza generazione GaN può aumentare l'efficienza da 3 a 5 punti, risparmiando così da 3 a 5 millesimi del consumo di elettricità del paese. . Ciò ha implicazioni molto importanti per la neutralità del carbonio. In termini di adattatori di ricarica, l'uso del nitruro di gallio può ridurre il volume della metà ed è diventata sostanzialmente una richiesta rigida per i consumatori. Soprattutto con l'introduzione del PD3.1, in futuro sarà sufficiente portare con sé un adattatore PD per caricare qualsiasi apparecchio elettrico portatile. Sarà un mercato da miliardi di dollari.

Yang Yong ritiene che con il tono strategico nazionale della "neutralità del carbonio" e il supporto continuo per i semiconduttori di terza generazione, la Cina guiderà sicuramente in futuro il mercato globale dei consumatori SiC dei materiali semiconduttori di terza generazione. Allo stesso tempo, poiché il processo SiC del materiale semiconduttore domestico di terza generazione inizia a maturare gradualmente ed è in produzione stabile, si ritiene che il problema dei materiali semiconduttori di terza generazione possa essere risolto radicalmente nel prossimo futuro.

La tendenza alla localizzazione è inarrestabile. Il semiconduttore di terza generazione è il prodotto principale del sorpasso del Paese in curva. Con l’avanzamento della tecnologia, lo spazio di mercato sarà molto ampio. "I materiali semiconduttori di terza generazione non sono solo SiC e GaN, ma anche composti come l'arseniuro di gallio (GaAs) sono forze importanti in futuro e avranno ampie applicazioni nell'attuale 5G PA, nelle linee elettriche a banda larga e in altri campi ." Yuan Weiwang ha detto.

Conclusione

Spinti dalle politiche nazionali e dal sostegno dell’industria dei semiconduttori, i materiali semiconduttori di terza generazione rappresentati da GaN e SiC sono diventati un importante punto focale dello sviluppo dell’industria dei semiconduttori. Soprattutto nel campo della ricarica rapida PD e dei veicoli a nuova energia, l’uso di materiali semiconduttori di terza generazione GaN e SiC ha notevolmente promosso l’innovazione e l’iterazione dei prodotti. In considerazione dello stato attuale della sostituzione nazionale, poiché i produttori nazionali continuano a svilupparsi, innovare e superare le difficoltà tecniche, la posizione dell’industria nazionale dei semiconduttori di terza generazione occuperà un posto; Anche il costo dei materiali semiconduttori diminuirà e i materiali semiconduttori di terza generazione come GaN e SiC saranno utilizzati in molti campi come le reti intelligenti e il trasporto ferroviario per alimentatori di maggiore potenza.

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