머리말

5세대 반도체 소재는 우수한 성능과 에너지 밴드 구조를 갖고 있어 무선주파소자, 광전자소자, 전력소자 등의 제조에 널리 사용되고 있으며, 점차 XNUMXG 통신, PD급속충전 등 신흥 분야에도 침투하고 있다. 그리고 새로운 에너지 차량. 반도체산업의 중요한 발전방향. 그러나 GaN과 SiC 소재의 기술적인 어려움이 여전히 존재하고, 국내 대체도도 높지 않으며, 가격도 여전히 높아 중국 XNUMX세대 반도체 산업의 발전을 가로막고 있는 점은 부인할 수 없다. 제품 효율과 전력밀도 향상을 위한 핵심 소재로, XNUMX세대 반도체 소재인 GaN과 SiC의 개발 현황이 많은 관심을 받고 있다.

GaN 및 SiC 소재의 기술적 어려움과 특성

현재 3세대 반도체 소재인 GaN과 SiC가 시장에서 인정받고 높은 관심을 받고 있다. 전력 반도체 분야에서 업계 관계자들은 LED 발광과 무선 주파수 외에 3세대 반도체 소재인 SiC의 기술적 어려움이 주로 기판 결함 제어에 있다고 믿고 있다. 현재 결함 밀도가 낮은 기판 재료는 주로 유럽, 미국 및 일본 제조업체에서 생산하고 있으며 중국에서 돌파하는 데 오랜 시간이 걸릴 것입니다.

동시에, 3세대 반도체 소재인 SiC 공정은 제어가 어렵고, 제품 배치 변동으로 인해 낮은 수율과 주재료 공급 독점이 발생하고 있다. 심지어 시장 가격은 여전히 ​​높은 수준을 유지하고 있으며 현재는 일부 애플리케이션 시장에만 국한되어 있는 것으로 추론된다. 그러나 SiC의 저손실, 고효율, 고전압, 고온 저항 등 일련의 고유한 특성에 비해 3세대 반도체 소재인 SiC의 적용은 더 많은 산업을 변화시키기 시작했습니다.

SiC와 달리 GaN은 비교적 복잡합니다. GaN은 진정한 의미의 MOSFET이 아니라, MOSFET과 유사한 스위칭 특성을 가진 HEMT(고전자 이동도 트랜지스터)입니다. GaN HEMT는 기판에 의존하지 않는 평면 전도성 구조로 사파이어 또는 실리콘 기판 모두에 구현할 수 있지만, 상시 닫힘(normally-off) 소자를 구현하기는 어렵습니다. 주하이 갈륨 퓨처 테크놀로지(Zhuhai Gallium Future Technology Co., Ltd., 약칭 "갈륨 퓨처")의 마케팅 이사인 장 다장은 두 가지 해결책이 있다고 생각합니다. 하나는 게이트에 P형 도핑을 추가하여 2차원 전자 가스를 차단하고 상시 닫힘 기능을 구현하는 것입니다. 다른 하나는 저전압 MOSFET을 소스와 직렬로 연결하고 저전압 MOSFET을 제어하여 GaN 게이트의 음전압 턴오프를 제공하는 것입니다. 이 MOSFET의 장점은 강력한 간섭 방지 능력을 가지고 있다는 것입니다.

이 밖에도 현재 3세대 반도체 소재인 GaN의 기술적 어려움은 다른 측면에서도 비롯된다. 공정 난이도 측면에서 GaN 재료는 장치 수율, 일관성 및 신뢰성과 같은 문제에 직면해 있습니다. GaN 기업의 경우 테스트 내용과 프로세스를 개선하고 가장 빠르고 정확한 방법으로 고객을 위한 작업을 선별할 수 있는 방법은 무엇입니까? 좋은 장치입니다. GaN의 높은 내열성, 고주파수 저항, 낮은 Vth 및 기타 특성은 기존 실리콘 장치와 다른 패키징 방향을 갖게 됩니다. 동시에 응용 분야에서는 3세대 반도체 재료 GaN을 추가하여 전통적인 전원 공급 장치 산업을 전복시켰습니다. 새로운 전력 산업은 PWM 제어 칩 및 변압기 제조업체에 대한 요구 사항이 더 높습니다.

기자는 Chengdu Nitrogen Silicon Technology Co., Ltd.("질소 실리콘 기술"이라고 함)가 오랜 기간의 연구와 실습 끝에 완전한 테스트 라인 세트를 구축했다는 사실을 알게 되었습니다. 고객은 물론 장치를 테스트할 수도 있습니다. 요구사항을 충족할 수 있는 비용 효율적인 제품을 분류하여 고객에게 제공하고, 다수의 실제 테스트 데이터를 활용하여 파운드리의 프로세스 개발에 도움을 주어 개선 방향을 제시합니다. 한편, Nitrogen Silicon Technology는 GaN 장치의 성능과 사용 편의성을 향상시키기 위해 고급 패키징 및 밀봉 기술을 적극적으로 연구합니다. 동시에 솔루션 개발을 위해 주요 변압기 및 PWM 칩 제조업체와 접촉했습니다.

Xinmin Microelectronics (Shanghai) Co., Ltd.(이하 "Xinmin")의 CEO인 Yuan Weiwang은 GaN이 실리콘 장치와 유사하며 고온에서 내부 저항이 계수의 2배 이상 증가를 보인다고 믿습니다. . 실리콘 장치와 달리 스위치 프로세스 중에 추가적인 전기적 스트레스로 인해 온 저항이 동적으로 증가합니다. 따라서 GaN 장치의 기술적 어려움은 주로 사용 시간과 주변 온도의 차이로 인해 발생하는 다양한 내부 저항을 처리하는 방법에 있으며, 이는 다음과 같습니다.

1: RDson은 다음 그림과 같이 온도가 상승함에 따라 불안정한 상태를 나타냅니다.

두 번째: RDson은 다음 그림과 같이 시간이 지남에 따라 불안정한 상태를 보여줍니다.

GaN 소자의 위에서 언급한 문제점들을 바탕으로, 해결책은 열전 응력 요인들을 종합적으로 고려하고 3~3.5배의 RDson 마진 설계를 고려하는 것입니다. SiC 소자는 현재 쇼트키 다이오드 적용에 있어 기본적으로 성숙 단계에 있습니다. 주요 문제는 SiC MOSFET의 안정성이며, 이는 장기적인 공정 디버깅 및 탐색을 필요로 하며, 기술적 어려움은 기본적으로 극복되었습니다.

PD 고속충전 외에 GaN도 고전력 전원을 공략한다

Gallium Future는 Cascode 구조 GaN 제품의 R&D 및 생산에 전념하는 중국 최고의 GaN 전력 장치 제조업체입니다. 보고서에 따르면 이 구조는 실리콘 장치의 사용 용이성과 GaN 장치의 고주파수 및 고효율 특성을 결합하여 최대 10KW의 높은 전력 밀도 전력 솔루션을 달성합니다. 이 제품은 주로 고전력 서버 전원 공급 장치, 기지국 전원 공급 장치 등에 사용됩니다. 최근 Gallium Future는 고속 충전 애플리케이션을 위한 두 개의 소형 SMD 캐스코드 GaN 장치인 G1N65R240PB 및 G1N65R480PA를 출시했으며, 이는 65W 및 33W 고속 충전에 해당합니다. 각각 응용 프로그램. 강력한 간섭 방지 기능과 간단한 구동 방법을 통해 사용자가 간단하고 효율적인 GaN 고속 충전 설계를 달성하는 데 도움이 됩니다.

현재 PD, LED 전원 공급 장치 등 소비자 분야에서 Nitrogen Silicon Technology의 GaN 전력 장치 적용이 점차 성숙해졌습니다. 백색 가전, 데이터 센터, 광전지 및 기타 산업, 심지어 자동차 전자 분야의 제조업체들은 Nitrosil Technology의 GaN 전력 장치에 계속해서 큰 관심을 보여 왔습니다. 앞으로 Nitrogen Silicon Technology 제품은 자체 개발한 GaN 드라이버 칩과 협력하여 점차적으로 더 높은 전력과 더 안정적인 GaN 전력 장치 및 모듈 시장을 전개할 것으로 알려졌습니다.

기자는 Xinmin GaN 전력 MOS가 주로 초고속 충전, LED 전원 공급 장치 및 소형 고밀도 전원 공급 장치에 사용된다는 사실을 알게 되었습니다. 그 중 초고속 충전이 기존 GaN의 주요 시장인 반면, LED 전원 공급 장치, 회로 차단기 등 소형 고밀도 전원 공급 장치, 마이크로 기지국 전원 공급 장치는 혁신적인 분야이자 GaN의 주요 레이아웃 시장이기도 합니다. 신민.

PD급속충전은 3세대 반도체 소재 GaN의 주요 시장으로 점차 성숙해지고 있다. 미래에는 LED, 기지국, 서버와 같은 고전력 전원 공급 장치가 GaN 재료의 인기 있는 애플리케이션 시장이 될 수 있습니다.

SiC가 자동차용 전원 시장을 빛낸다

Shenzhen Mipson Semiconductor Co., Ltd.(이하 "Mipson")는 창립 이래 3세대 반도체 소재 SiC의 개발, 생산 및 홍보에 전념해 왔습니다. 이중 조합은 고객에게 보다 안정적인 선택을 제공합니다. 현재 회사의 SiC 제품은 PD 고속 충전, 조명 전원 공급 장치, 태양광 인버터 및 서버 전원 공급 장치 분야에 성숙하게 적용되었습니다. 전압 세그먼트에 해당하는 다양한 시장에 따라 최신 공정 기술과 결합하여 주요 매개변수를 차별화하여 제품을 사용자에게 더욱 적합하게 만듭니다. 설계. 현재 MPS는 SiC MOS 초저 내부 저항 제품을 일괄 공급하고 있으며 수입 브랜드와 시장을 공유할 수 있는 능력을 갖추고 있으며 지속적인 개선을 통해 고객에게 보다 비용 효율적인 옵션을 제공하기 위해 연구 개발에 지속적으로 투자하고 있습니다.

보도에 따르면 MPS는 3세대 반도체 소재 분야에서 철도 운송 및 차량 전원 공급 장치 시장을 적극적으로 전개했으며 다수의 국내 주요 자동차 제조업체와 계약을 체결했으며 일부 제품은 이미 탑재 시험을 시작했습니다.

현재 신민(Xinmin)의 SiC 소자는 마이크로 인버터 및 고전력 인버터를 포함한 인버터에 주로 사용됩니다. 현재 신민이 출시하는 주요 제품은 SiC 쇼트키 다이오드와 쇼트키 모듈입니다. 신민의 3세대 반도체 소재 시장은 충전소 및 서버 전원 공급 장치와 같은 고효율 및 고전력 전원 공급 분야에 주로 적용될 것으로 예상됩니다.

올해부터 Tyco Tianrun Semiconductor Technology (Beijing) Co., Ltd.("Tyco Tianrun")는 10년 동안 SiC 칩 분야에 깊이 관여해 왔으며, 그 제품은 산업 분야(예: 첨단 산업)에서 널리 사용되었습니다. - 전원 LED 전원장치, PC 전원장치, 통신전원장치, 태양광 인버터 및 충전파일의 충전모듈 등), 차량용 전원장치(OBC, DCDC 등), 컨슈머(PD급속충전 등) 시장 .

Tyco Tianrun의 마케팅 부사장인 Qiu Qi는 미래의 전원 공급 방향은 소형화, 경량 및 높은 전력 밀도이며 전기 자동차와 같은 신흥 분야는 탄화규소 장치의 주요 응용 분야 중 하나가 되어야 한다고 믿습니다. 전기 자동차 모터 전자 제어 장치가 전체 실리콘 카바이드 솔루션을 채택하면 평균 6개의 실리콘 카바이드 6인치 웨이퍼가 소비되기 때문입니다. 전력은 신에너지 차량에도 있습니다.

신에너지 자동차는 수많은 자동차 전자 및 전기 부품을 필요로 합니다. 이러한 부품은 전체 기계의 가치, 크기, 부피, 동적 성능, 과부하 용량, 내구성 및 신뢰성에 매우 중요한 역할을 합니다. 주요 전력 소자인 실리콘 기반 IGBT는 신에너지 자동차의 모터 컨트롤러에 사용되며, 모터와 컨트롤러는 전체 차량 비용의 약 7~10%를 차지하며 배터리 다음으로 두 번째로 높은 비용 부품입니다. 이는 전체 차량의 에너지 효율을 결정하는 핵심 소자입니다. 동시에, 더 높은 전력 밀도와 높은 신뢰성을 달성하기 위해서는 고속 충전 전력 소자가 더욱 강력한 성능을 가져야 하며, XNUMX세대 반도체 소재인 SiC 기반 차세대 자동차 전력 소자 또한 주목받을 것입니다.

국내 대체 과정은 계속될 것이며, 비용은 점차 감소할 것입니다.

2018년 품절 파동부터 해외 대형 제조업체가 해외 고객에게 일제히 공급하는 데 주력했고, 2020년 전염병의 영향으로 동남아시아의 외국 제조업체의 생산 기지는 생산량 감소로 심각한 영향을 받았으며 국내 브랜드 제조업체는 배송이라는 막중한 책임을 반복적으로 떠맡아 왔습니다. 또한, XNUMX세대 반도체의 본격 개발이 국가 전략으로 격상되었습니다. 거대한 내수 시장과 맞물려 국산화와 대체를 위한 전례 없는 공간이 생겼으며, 이는 국내 XNUMX세대 반도체 산업 체인 전체에 반복할 수 있는 기회를 제공하기도 했습니다.

올해는 국가의 지원과 국내 반도체 업계의 끊임없는 노력 덕분에 3세대 국산 반도체가 놀라운 속도로 성장하고 있습니다. 3세대 반도체 측면에서는 국내외 반도체 간의 격차가 1세대와 2세대 반도체만큼 뚜렷하지 않습니다. SiC 다이오드의 경우, 국산 제품은 기본적으로 국산화되어 산업 및 자동차 분야에 진출했습니다. SiC MOSFET의 경우 국내외에서 여전히 격차가 존재합니다. GaN의 경우, 우리나라의 GaN RF 장비 시장 규모가 지속적으로 성장하고 있습니다. 주요 기둥과 주요 성장 동력은 무선 통신 인프라 등입니다. 실리콘 기반 GaN의 경우, 현재 주로 휴대폰 PD 고속 충전 제품에 사용됩니다. 소비자 제품은 비용에 매우 민감하고 제품 자체의 기술 한계가 산업 및 자동차 등급보다 낮기 때문에 가까운 미래에 국내외 간의 격차가 더 이상 뚜렷하지 않을 것입니다.

Yuan Weiwang은 향후 몇 년 내에 SiC 쇼트키가 완전히 현지화될 것이라고 예측합니다. 현재 SiC MOS는 여전히 일본의 ROHM, 미국의 Cree, 유럽의 STMicroelectronics 및 Infineon을 기반으로 하고 있습니다. MOS의 국산화에는 여전히 기술 프로세스의 추가 연마가 필요하지만 장기적인 추세는 여전히 국산화입니다.

현재 3세대 반도체 소자의 발전 방향은 명확하며, 국내 자체 공장은 적절한 시기와 장소를 점유하고 있다. 국내 3세대 반도체 소재 SiC 환경은 지난 2년 동안 미중 무역전쟁, 해외 전염병, 동남아시아 패키징 공장 폐쇄 등의 압력으로 인해 기다리던 외국 제조업체들이 초기에는 국내 제조업체에 대한 태도가 점차적으로 활짝 열렸습니다. 고객 역시 국내 오리지널 제조사와 소통하려는 열린 태도를 갖고 있습니다. 반면, 일부 외국 친구와 유럽 및 미국 자동차 제조업체 사이에는 깊은 유대 관계가 있으며 다른 고객에 대한 공급 능력은 감소했습니다. 공급 부족으로 국내 벤치마크 고객들이 국산 SiC를 포함한 국산 반도체를 고려할 것으로 보인다.

Qiu Qi는 실리콘 카바이드 소재가 4인치에서 6인치로, 심지어 미래에는 8인치까지 XNUMX세대 반도체 소재인 SiC의 가격이 하락해 분할된 실리콘 시장이 침몰할 것이라고 믿고 있다.

Mipson의 양용 제품 관리자는 앞으로 3세대 반도체 소재와 외국 제조업체 제품 간의 격차가 점점 작아져 따라잡거나 능가할 것이며 가격도 확실히 가까워질 것이라고 말했습니다. 그리고 대기권에 더 가깝습니다. Nitrogen Silicon Technology의 시장 관리자인 Ke Wei는 5~XNUMX년 내에 국내 GaN 전력 장치의 가격이 필연적으로 기존 실리콘 기반 MOS의 가격에 근접하여 시장의 새로운 인기를 끌 것이라고 믿습니다.

3세대 반도체 소재의 국내 대체 과정은 아직 갈 길이 멀다. Yuan Weiwang은 현재 3세대 반도체에서 GaN 장치는 여전히 Navitas, PI 및 캐나다의 gansystem이 지배하고 있다고 믿습니다. 산업과 자동차 부문은 아직 갈 길이 멀다.

3세대 반도체 소재 개발의 새로운 방향

아시다시피, 3세대 반도체 소재 사용의 목적은 제품 효율과 전력 밀도 향상입니다. 고전력 제품은 주로 Si IGBT에서 SiC MOSFET으로 개발되고 있으며, 현재 차량용 애플리케이션에서 완전히 대체되기 시작했습니다. 효율 향상과 무게 감소는 전기 자동차의 배터리 수명을 직접적으로 향상시킵니다. 중소형 전력 제품은 Si MOSFET에서 GaN HEMT로 개발되고 있으며, 주요 응용 분야는 데이터 센터 전원 공급 장치와 충전 어댑터입니다.

데이터센터에서 소비하는 에너지는 전체 발전량의 약 10%를 차지한다. 3세대 반도체 소재인 GaN으로 설계된 전원장치는 효율을 5~3포인트 높일 수 있어 국내 전력소비량을 5~3.1천분의 XNUMX 수준으로 절감할 수 있다. . 이는 탄소 중립에 매우 중요한 의미를 갖습니다. 충전 어댑터의 경우 질화갈륨을 사용하면 부피를 절반으로 줄일 수 있어 기본적으로 소비자에게는 엄격한 요구 사항이 되었습니다. 특히 PDXNUMX이 도입되면서 앞으로는 PD 어댑터만 가지고 다니면 휴대용 가전제품을 충전할 수 있을 것입니다. XNUMX억 달러 규모의 시장이 될 것입니다.

Yang Yong은 국가의 '탄소 중립' 전략 기조와 3세대 반도체에 대한 지속적인 지원을 통해 중국이 미래에 세계 3세대 반도체 소재 SiC 소비자 시장을 확실히 주도할 것이라고 믿습니다. 동시에, 국내 3세대 반도체 소재인 SiC 공정이 점차 성숙해지기 시작하고 안정적인 생산에 들어감에 따라, 3세대 반도체 소재 문제는 머지않아 근본적으로 해결될 수 있을 것으로 여겨진다.

현지화 추세는 거침없다. 5세대 반도체는 국내 코너링 추월의 주력 제품이다. 기술이 발전하면 시장이 매우 넓어질 것입니다. "XNUMX세대 반도체 재료는 SiC, GaN뿐만 아니라 갈륨비소(GaAs)와 같은 화합물도 미래에 중요한 힘이며 현재 XNUMXG PA, 전력선 광대역 캐리어 및 기타 분야에서 폭넓게 응용될 것입니다. ." Yuan Weiwang이 말했다.

맺음말

국가 정책과 반도체 산업의 지원에 힘입어 GaN, SiC로 대표되는 3세대 반도체 소재는 반도체 산업 발전의 중요한 초점이 되었습니다. 특히 PD급속충전 및 신에너지 차량 분야에서는 3세대 반도체 소재인 GaN과 SiC의 사용으로 제품 혁신과 반복이 크게 촉진됐다. 국내 대체 현황을 볼 때, 국내 제조업체가 지속적으로 개발과 혁신을 이루고 기술적 어려움을 극복함에 따라 국내 3세대 반도체 산업의 위치가 자리를 차지하게 될 것입니다. 반도체 소재 원가도 낮아지고, GaN, SiC 등 3세대 반도체 소재가 스마트 그리드, 고전력 전원용 철도 운송 등 다양한 분야에서 등장할 전망이다.

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