序文

第 5 世代の半導体材料は優れた性能とエネルギーバンド構造を備えており、高周波デバイス、光電子デバイス、パワーデバイスなどの製造に広く使用されており、XNUMXG 通信、PD 急速充電などの新興分野にも徐々に浸透しています。そして新エネルギー車。半導体産業の重要な発展方向。しかし、GaNおよびSiC材料の技術的困難が依然として存在し、国内代替の程度が高くなく、コストが依然として高いことは否定できず、これが中国の第XNUMX世代半導体産業のプロセスを悩ませています。製品効率と電力密度を向上させるための重要な材料として、第XNUMX世代半導体材料であるGaNとSiCの開発状況が注目を集めています。

GaN・SiC材料の技術的難しさと特徴

現在、第 3 世代の半導体材料である GaN と SiC が市場で認知され、高い関心を集めています。業界関係者は、パワー半導体の分野では、LED発光と高周波に加えて、第3世代半導体材料SiCの技術的困難は主に基板欠陥の制御にあると考えている。現在、欠陥密度の低い基板材料は主に欧米、日本メーカーが生産しており、中国での普及には長い時間がかかる。

同時に、第3世代半導体材料であるSiCプロセスは制御が難しく、製品バッチの変動により歩留まりが低下し、主要材料の供給が独占されてしまいます。市場価格は依然として高止まりしており、現在は一部のアプリケーション市場にのみ限定されているとさえ推測されます。しかし、低損失、高効率、高電圧、高温耐性などのSiC独自の一連の特性と比較して、第3世代半導体材料SiCの応用はより多くの産業を変え始めています。

SiCとは異なり、GaNは比較的複雑です。GaNは真の意味でのMOSFETではなく、MOSFETと同様のスイッチング特性を持つHEMT（高電子移動度トランジスタ）です。GaN HEMTは基板に依存しない平面導電構造で、サファイア基板にもシリコン基板にも実装できますが、ノーマリーオフ（常時閉）デバイスの実装は困難です。珠海ガリウム未来科技有限公司（略称：ガリウム未来）のマーケティングディレクター、張大江氏は、2つの解決策があると考えています。1つはゲートにP型ドーピングを施し、2次元電子ガスを遮断してノーマリーオフ機能を実現することです。もう1つは、低電圧MOSFETをソースに直列に接続し、低電圧MOSFETを制御することでGaNゲートの負電圧ターンオフを実現することです。このMOSFETの利点は、耐干渉性が強いことです。

さらに、第 3 世代半導体材料 GaN の現在の技術的困難は、他の多くの側面からも生じています。プロセスの難しさの点で、GaN 材料はデバイスの歩留まり、一貫性、信頼性などの課題に直面しています。 GaN企業にとって、テスト内容を改善し、最速かつ最も正確な方法で顧客のジョブを処理および選別するにはどうすればよいでしょうか?良いデバイス。 GaN の高い耐熱性、高周波耐性、低い Vth などの特性は、従来のシリコンデバイスとはパッケージングの方向性が異なる運命にあります。同時に、アプリケーションにおいては、第 3 世代の半導体材料である GaN の追加により、従来の電源業界の常識が覆されました。新しい電力業界では、PWM 制御チップと変圧器メーカーに対する要件が高くなります。

記者は、成都窒素シリコン技術有限公司（以下「窒素シリコン技術」）が、長期間の研究と実践を経て、正常に動作するデバイスを選択するだけでなく、テストラインの完全なセットを構築したことを知りました。顧客だけでなく、デバイスをテストすることもできます。要件を満たせるコスト効率の高い製品を分類して顧客に提供し、多数の実用的なテスト データを使用して、鋳造工場のプロセス開発に改善の方向性を提供します。一方、窒素シリコンテクノロジーは、GaN デバイスの性能と使いやすさを向上させるために、高度なパッケージングおよび封止技術を精力的に研究しています。同時に、ソリューションを開発するために変圧器や PWM チップの大手メーカーと連絡を取りました。

Xinmin Microelectronics (Shanghai) Co., Ltd. (以下「Xinmin」) の CEO、Yuan Wewang 氏は、GaN はシリコン デバイスに似ており、高温での内部抵抗は係数の 2 倍以上の増加を示すと考えています。 。シリコンデバイスとは異なり、スイッチプロセス中に追加の電気的ストレスが発生し、オン抵抗が動的に増加します。したがって、GaN デバイスの技術的な難しさは主に、使用時間や周囲温度の違いによって生じる内部抵抗の違いにどのように対処するかにあります。これを次に示します。

1: 次の図に示すように、RDson は温度が上昇すると不安定な状態を示します。

2: 次の図に示すように、RDson は時間の経過とともに不安定な状態を示します。

GaNデバイスの上記問題を踏まえ、解決策としては、熱電ストレスの要因を総合的に考慮し、RDsonマージンを3～3.5倍に設計することを検討する。SiCデバイスは、現在のショットキーダイオードの応用において基本的に成熟している。主な問題はSiC MOSFETの安定性であり、これには長期にわたるプロセスのデバッグと検討が必要であり、技術的な困難は基本的に克服されている。

PD 急速充電に加えて、GaN は高出力電源を攻撃しています

Gallium Future は、カスコード構造の GaN 製品の研究開発と生産に特化した中国の大手 GaN パワーデバイス メーカーです。レポートによると、この構造はシリコンデバイスの使いやすさとGaNデバイスの高周波および高効率特性を組み合わせて、最大10KWの高電力密度電力ソリューションを実現します。製品は主に高電力サーバー電源、基地局電源などに使用されます。最近、ガリウム・フューチャーは、1Wおよび65Wの急速充電に対応する、急速充電アプリケーション用の240つの小型SMDカスコードGaNデバイス、G1N65R480PBおよびG65N33RXNUMXPAを発売しました。それぞれアプリケーション。強力な抗干渉能力とシンプルな駆動方法により、ユーザーはシンプルで効率的なGaN急速充電設計を実現できます。

現在、PD や LED 電源などの民生分野における Nitrogen Silicon Technology の GaN パワーデバイスの応用は徐々に成熟してきています。白物家電、データセンター、太陽光発電、その他の産業、さらには自動車エレクトロニクスの分野でも、ニトロシルテクノロジーのGaNパワーデバイスに強い関心を示しているメーカーが相次いでいます。将来的には、窒素シリコンテクノロジー製品が自社開発のGaNドライバーチップと連携して、より高出力でより安定したGaNパワーデバイスおよびモジュール市場を徐々に展開すると報告されています。

記者は、Xinmin GaNパワーMOSが主に超急速充電、LED電源、小型高密度電源に使用されていることを知りました。その中で、超急速充電は従来のGaNの主要市場であり、LED電源、サーキットブレーカーなどの小型高密度電源、マイクロ基地局電源は革新的な分野であり、また、GaNの主要なレイアウト市場でもあります。シンミン。

PD急速充電は、第3世代半導体材料GaNの主要市場として徐々に成熟してきました。将来的には、LED、基地局、サーバーなどの高出力電源が GaN 材料の人気のアプリケーション市場になる可能性があります。

車載電源市場で輝くSiC

Shenzhen Mipson Semiconductor Co., Ltd. (略称「ミプソン」) は、設立以来、第 3 世代半導体材料 SiC の開発、生産、普及に取り組んできました。この 2 つの組み合わせにより、顧客はより安定した選択肢を得ることができます。現在、同社のSiC製品はPD急速充電、照明電源、太陽光発電インバータ、サーバー電源の分野で成熟して応用されている。電圧セグメントに対応するさまざまな市場に応じて、最新のプロセス技術と組み合わせて主要なパラメータを差別化し、製品をユーザーにとってより適したものにします。デザイン。現在、MPSはSiC MOS超低内部抵抗製品をバッチで供給しており、輸入ブランドと市場を共有する能力を備えており、継続的な改善を通じてよりコスト効率の高いオプションを顧客に提供するために研究開発への投資を続けています。

報道によると、MPSは第3世代半導体材料の分野で鉄道交通市場や車両電源市場に積極的に展開しており、国内の大手自動車メーカー数社と合意に達し、一部の製品はすでに車載試験を開始しているという。

現在、新民のSiCデバイスは主にマイクロインバータや高出力インバータなどのインバータに使用されています。現在、新民が発売している主な製品は、SiCショットキーダイオードとショットキーモジュールです。新民の第3世代半導体材料市場は、主に充電スタンドやサーバー電源などの高効率・高出力電源分野に展開されるとのことです。

今年の時点で、Tyco Tianrun Semiconductor Technology (Beijing) Co., Ltd. (以下「Tyco Tianrun」) は 10 年間にわたって SiC チップの分野に深く関わっており、その製品は産業 (高度な技術など) で広く使用されています。 -電源 LED電源、PC電源、通信電源、太陽光発電インバータや充電パイルの充電モジュールなど）、車載電源（OBC、DCDCなど）、民生用（PD急速充電など）市場。

Tyco Tianrun のマーケティング担当副社長である Qiu Qi 氏は、将来の電源の方向性は小型化、軽量化、高出力密度であり、電気自動車などの新興分野が炭化ケイ素デバイスの主な応用分野の 1 つになるに違いないと考えています。なぜなら、電気自動車モーターの電子制御が完全な炭化ケイ素ソリューションを採用すると、平均して 6 枚の炭化ケイ素 6 インチ ウェーハが消費されることになるからです。新エネルギー車にも電力が供給されています。

新エネルギー車には、多数の車載電子・電気部品が必要です。これらのデバイスは、完成車全体の価値、サイズ、体積、動的性能、過負荷容量、耐久性、信頼性において非常に重要な役割を果たしています。新エネルギー車のモーターコントローラーには、シリコンベースのIGBTが主要なパワーデバイスとして採用されており、モーターとそのコントローラーは車両全体のコストの約7％～10％を占め、バッテリーに次いでXNUMX番目にコストの高い部品です。車両全体のエネルギー効率を決定する重要なデバイスです。同時に、より高い電力密度と高い信頼性を実現するために、急速充電パワーデバイスの性能をさらに強化する必要があり、第XNUMX世代半導体材料SiCをベースにした新世代の車載パワーデバイスも注目を集めています。

国内代替のプロセスは継続し、コストは徐々に低下する

2018年の在庫切れの波から、外資系大手メーカーは一斉に海外顧客への供給に注力し、2020年の疫病の影響により、東南アジアの外資系メーカーの生産拠点は生産削減により深刻な影響を受け、国内のブランドメーカーは配送という重い責任を繰り返し引き受けてきました。また、第XNUMX世代半導体の開発も国家戦略に格上げされて精力的に進められている。巨大な内需市場と相まって、ローカライゼーションと代替のための前例のない余地があり、国内の第 XNUMX 世代半導体産業チェーン全体に反復の機会も与えられています。

今年、国家の支援と国内半導体産業のたゆまぬ努力のおかげで、国内第3世代半導体は驚異的なスピードで成長しています。第3世代半導体に関しては、国内外の半導体との格差は第1世代と第2世代半導体ほど顕著ではありません。SiCダイオードに関しては、国産品は基本的にローカライズ化されており、産業・自動車分野に進出しています。SiC MOSFETに関しては、国内外ではまだ若干の格差があります。GaNに関しては、我が国のGaN RF機器市場規模は拡大を続けています。主な柱であり、成長を牽引しているのは無線通信インフラなどです。シリコンベースのGaNに関しては、現在主に携帯電話のPD急速充電製品に使用されています。これは、消費者向け製品がコストに非常に敏感であり、製品自体の技術的敷居が産業クラスや自動車クラスよりも低いためです。近い将来、国内外の格差はもはや顕著ではなくなるでしょう。

Yuan Wewang 氏は、今後数年で SiC ショットキーが完全にローカライズされるだろうと予測しています。現在でも、SiC MOS は日本ではローム、米国では cree、欧州では STMicroelectronics と Infineon が主力となっています。 MOS のローカリゼーションには、技術プロセスをさらに磨き上げる必要がありますが、長期的な傾向は依然としてローカリゼーションです。

現在、第 3 世代半導体デバイスの開発方向は明確であり、国内の独自工場が適切な時期と場所を占めています。国内の第 3 世代半導体材料である SiC 環境は、過去 2 年間、米中貿易戦争、海外の疫病、東南アジアのパッケージング工場の閉鎖などの圧力を受けて、様子見をしていた海外メーカーが、初期の国内メーカーに対する態度が徐々に手を広げてきたのがわかります。お客様も国内純正メーカーとのコミュニケーションにオープンな姿勢を持っています。一方で、一部の外国の友人と欧米の自動車メーカーとの結びつきは深く、他の顧客への供給能力は低下している。供給不足のため、国内ベンチマーク顧客は国産SiCを含む国産半導体を検討することになる。

Qiu Qi 氏は、炭化ケイ素材料の 4 インチから 6 インチ、さらには将来的には 8 インチまで、第 XNUMX 世代半導体材料である SiC のコストが低下し、細分化されたシリコン市場が沈下すると考えています。

ミプソンの製品マネージャー、ヤン・ヨン氏は、将来的には第3世代半導体材料と海外メーカーの製品との差はますます縮まり、最終的には追いつくか追い越すことになり、価格は確実に近づくだろうと語った。そして大気圏に近づく。 Nitrogen Silicon Technology のマーケットマネージャーである Ke Wei 氏は、5 ～ XNUMX 年以内に、国産の GaN パワーデバイスのコストは必然的に従来のシリコンベースの MOS の価格に近づき、市場の新たな寵児になるだろうと考えています。

第 3 世代半導体材料の国内代替プロセスにはまだ長い道のりがあります。 Yuan Weiwang 氏は、現在の第 3 世代半導体では、GaN デバイスは依然として Navitas、PI、およびカナダの gansystem によって独占されていると考えています。産業部門と自動車部門にはまだ長い道のりがあります。

第3世代半導体材料開発の新たな方向性

ご存知の通り、第三世代半導体材料の採用目的は、製品の効率と電力密度の向上です。高出力製品は主にSi IGBTからSiC MOSFETへと進化し、現在では車載用途において本格的な置き換えが始まっています。効率の向上と軽量化は、電気自動車のバッテリー寿命を直接的に向上させます。中小出力製品はSi MOSFETからGaN HEMTへと進化し、主な用途はデータセンターの電源や充電アダプターです。

データセンターで消費されるエネルギーは総発電量の約10％を占めます。第 3 世代の半導体材料である GaN を使用して設計された電源は、効率を 5 ～ 3 ポイント向上させることができ、国の電力消費量の 5 ～ 3.1 分の XNUMX を節約できます。 。これはカーボンニュートラルにとって非常に重要な意味を持ちます。充電アダプターに関しては、窒化ガリウムを使用すると体積を半分に減らすことができ、基本的に消費者からの厳しい要求となっています。特にPDXNUMXの導入により、将来的にはPDアダプターを持っていくだけでポータブル電化製品を充電できるようになります。それは数十億ドルの市場になるでしょう。

楊勇氏は、国家の「カーボンニュートラル」戦略基調と第3世代半導体への継続的な支援により、中国は将来間違いなく世界の第3世代半導体材料SiC消費者市場をリードすると信じている。同時に、国産の第3世代半導体材料であるSiCプロセスが徐々に成熟し始め、安定した生産が行われていることから、近い将来、第3世代半導体材料の問題は根本的に解決されると考えられています。

ローカライズの流れは止まらない。第5世代半導体は同国の追い抜きの主力製品だ。テクノロジーの進歩により、非常に幅広い市場空間が存在します。 「第XNUMX世代の半導体材料はSiCやGaNだけでなく、ガリウムヒ素（GaAs）などの化合物も将来的には重要な戦力となり、現在のXNUMXG PA、電力線ブロードバンドキャリアなどの分野で幅広い応用が期待できる」 。」袁維王氏はこう語った。

結論

国家政策と半導体産業の支援により、GaN や SiC に代表される第 3 世代半導体材料は、半導体産業の発展の重要な焦点となっています。特に PD 急速充電および新エネルギー車の分野では、第 3 世代の半導体材料である GaN および SiC の使用により、製品の革新と反復が大幅に促進されました。現在の国内代替の状況を考慮すると、国内メーカーが開発と革新を続け、技術的困難を克服するにつれて、国内の第3世代半導体産業の地位が確立されるでしょう。半導体材料のコストも低下し、GaN や SiC などの第 3 世代半導体材料は、スマート グリッドや高出力電源用の鉄道輸送などの多くの分野で使用されるようになります。

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