Kata Pengantar

Bahan semikonduktor generasi ketiga mempunyai prestasi unggul dan struktur jalur tenaga, dan digunakan secara meluas dalam pembuatan peranti frekuensi radio, peranti optoelektronik, peranti kuasa, dll., dan telah secara beransur-ansur menembusi bidang baru muncul seperti komunikasi 5G, pengecasan pantas PD dan kenderaan tenaga baharu. Hala tuju pembangunan penting industri semikonduktor. Walau bagaimanapun, tidak dapat dinafikan bahawa kesukaran teknikal bahan GaN dan SiC masih wujud, tahap penggantian domestik tidak tinggi, dan kosnya masih tinggi, yang melanda proses industri semikonduktor generasi ketiga di China. Sebagai bahan utama untuk meningkatkan kecekapan produk dan ketumpatan kuasa, status pembangunan semasa bahan semikonduktor generasi ketiga GaN dan SiC telah menarik banyak perhatian.

Kesukaran teknikal dan ciri-ciri bahan GaN dan SiC

Pada masa ini, bahan semikonduktor generasi ketiga GaN dan SiC telah diiktiraf dan sangat mengambil berat oleh pasaran. Dalam bidang semikonduktor kuasa, orang dalam industri percaya bahawa, sebagai tambahan kepada pemancar cahaya LED dan frekuensi radio, kesukaran teknikal bahan semikonduktor generasi ketiga SiC terutamanya terletak pada kawalan kecacatan substrat. Pada masa ini, bahan substrat dengan ketumpatan kecacatan rendah kebanyakannya dihasilkan oleh pengeluar Eropah, Amerika dan Jepun, dan ia akan mengambil masa yang lama untuk menembusi di China.

Pada masa yang sama, proses SiC bahan semikonduktor generasi ketiga sukar dikawal, dan turun naik kelompok produk membawa kepada hasil rendah dan monopoli bekalan bahan utama. Malah disimpulkan bahawa harga pasaran kekal tinggi, dan pada masa ini ia hanya terhad kepada beberapa pasaran aplikasi. Walau bagaimanapun, berbanding dengan siri cirinya sendiri seperti kehilangan yang lebih rendah, kecekapan yang lebih tinggi, voltan tinggi dan rintangan suhu tinggi SiC, penggunaan bahan semikonduktor generasi ketiga SiC telah mula mengubah lebih banyak industri.

Tidak seperti SiC, GaN agak kompleks. GaN bukanlah MOSFET dalam erti kata sebenar, tetapi HEMT (High Electron Mobility Transistor), yang mempunyai ciri pensuisan yang serupa dengan MOSFET. GaN HEMT ialah struktur konduktif satah yang tidak bergantung pada substrat dan boleh dilaksanakan sama ada pada substrat nilam atau silikon, tetapi sukar untuk melaksanakan peranti biasa. Zhang Dajiang, Pengarah Pemasaran Zhuhai Gallium Future Technology Co., Ltd. (pendek kata "Gallium Future"), percaya bahawa terdapat dua penyelesaian: satu ialah menambah doping jenis P ke pintu untuk menyekat gas elektron dua dimensi dan merealisasikan fungsi yang biasanya tertutup; Salah satunya adalah untuk menyambungkan MOSFET voltan rendah secara bersiri dengan sumber, dan mengawal MOSFET voltan rendah untuk memberikan voltan negatif mematikan pintu GaN. Kelebihannya ialah MOSFET mempunyai keupayaan anti-gangguan yang kuat.

Di samping itu, kesukaran teknikal semasa bahan semikonduktor generasi ketiga GaN juga datang dari banyak aspek lain. Dari segi kesukaran proses, bahan GaN menghadapi cabaran seperti hasil peranti, konsistensi dan kebolehpercayaan; bagi syarikat GaN, bagaimana mereka boleh menambah baik kandungan dan proses ujian serta menapis pekerjaan untuk pelanggan dengan cara yang paling cepat dan tepat? Peranti yang baik; Rintangan haba tinggi GaN, rintangan frekuensi tinggi, Vth rendah dan ciri-ciri lain ditakdirkan untuk mempunyai arah pembungkusan yang berbeza daripada peranti silikon tradisional; pada masa yang sama, dalam aplikasi, penambahan bahan semikonduktor generasi ketiga GaN telah menumbangkan industri bekalan kuasa tradisional. Industri kuasa baharu mempunyai keperluan yang lebih tinggi untuk cip kawalan PWM dan pengeluar pengubah.

Wartawan itu mengetahui bahawa Chengdu Nitrogen Silicon Technology Co., Ltd. (dirujuk sebagai "Teknologi Silikon Nitrogen") telah membina satu set lengkap baris ujian selepas tempoh penyelidikan dan amalan yang panjang, yang bukan sahaja boleh memilih peranti kerja biasa untuk pelanggan, tetapi juga boleh menguji peranti. Klasifikasikan, sediakan pelanggan produk kos efektif yang boleh memenuhi keperluan dan gunakan sejumlah besar data ujian praktikal untuk membantu pembangunan proses faundri untuk menyediakan arah penambahbaikan. Sebaliknya, Teknologi Silikon Nitrogen meneliti teknologi pembungkusan dan pengedap termaju untuk meningkatkan prestasi dan kemudahan penggunaan peranti GaN; pada masa yang sama, ia telah menghubungi pengeluar utama transformer dan cip PWM untuk membangunkan penyelesaian.

Yuan Weiwang, Ketua Pegawai Eksekutif Xinmin Microelectronics (Shanghai) Co., Ltd. (dirujuk sebagai "Xinmin"), percaya bahawa GaN adalah serupa dengan peranti silikon, dan rintangan dalaman pada suhu tinggi menunjukkan peningkatan lebih daripada 2 kali ganda pekali . Tidak seperti peranti silikon, suis Semasa proses, tekanan elektrik tambahan menyebabkan rintangan-on meningkat secara dinamik. Oleh itu, kesukaran teknikal peranti GaN terutamanya terletak pada cara menangani rintangan dalaman yang berbeza yang disebabkan oleh masa penggunaan dan suhu ambien yang berbeza, yang ditunjukkan seperti berikut:

1: RDson menunjukkan keadaan tidak stabil apabila suhu meningkat, seperti ditunjukkan dalam rajah berikut:

Dua: RDson juga menunjukkan keadaan tidak stabil dari semasa ke semasa, seperti ditunjukkan dalam rajah berikut:

Berdasarkan masalah peranti GaN yang disebutkan di atas, penyelesaiannya adalah untuk mempertimbangkan secara menyeluruh faktor tegasan termoelektrik, dan pertimbangkan untuk menggunakan 3-3.5 kali reka bentuk margin RDson. Peranti SiC pada dasarnya matang dalam penggunaan diod Schottky semasa. Masalah utama ialah kestabilan SiC MOSFET, yang memerlukan proses penyahpepijatan dan penerokaan jangka panjang, dan pada dasarnya masalah teknikal telah diatasi.

Selain pengecasan pantas PD, GaN menyerang sumber kuasa berkuasa tinggi

Gallium Future ialah pengeluar peranti kuasa GaN terkemuka di China, khusus untuk R&D dan pengeluaran produk GaN struktur Cascode. Menurut laporan, struktur itu menggabungkan kemudahan penggunaan peranti silikon dan ciri frekuensi tinggi dan kecekapan tinggi peranti GaN untuk mencapai penyelesaian kuasa ketumpatan kuasa tinggi sehingga 10KW. Produk ini digunakan terutamanya untuk bekalan kuasa pelayan berkuasa tinggi, bekalan kuasa stesen pangkalan, dll. Baru-baru ini, Gallium Future telah melancarkan dua peranti GaN cascode SMD bersaiz kecil untuk aplikasi pengecasan pantas, G1N65R240PB dan G1N65R480PA, sepadan dengan pengecasan pantas 65W dan 33W permohonan masing-masing. Dengan keupayaan anti-gangguan yang kuat dan kaedah pemanduan yang ringkas, ia membantu pengguna mencapai reka bentuk pengecasan pantas GaN yang ringkas dan cekap.

Pada masa ini, aplikasi peranti kuasa GaN Nitrogen Silicon Technology dalam bidang pengguna seperti bekalan kuasa PD dan LED telah beransur-ansur matang. Pengeluar barangan putih, serta pusat data, fotovoltaik dan industri lain, malah dalam bidang elektronik automotif telah menunjukkan minat yang kuat terhadap peranti kuasa GaN daripada Teknologi Nitrosil. Dilaporkan bahawa pada masa hadapan, produk Teknologi Silikon Nitrogen akan bekerjasama dengan cip pemacu GaN yang dibangunkan sendiri untuk secara beransur-ansur menggunakan kuasa yang lebih tinggi dan pasaran peranti dan modul kuasa GaN yang lebih stabil.

Wartawan itu mengetahui bahawa MOS kuasa Xinmin GaN digunakan terutamanya dalam pengecasan super pantas, bekalan kuasa LED dan bekalan kuasa berketumpatan tinggi kecil. Antaranya, pengecasan super cepat adalah pasaran utama GaN tradisional, manakala bekalan kuasa LED, bekalan kuasa berketumpatan tinggi miniatur, seperti pemutus litar, bekalan kuasa stesen pangkalan mikro adalah medan yang inovatif, dan ia juga merupakan pasaran susun atur utama bagi Xinmin.

Sebagai pasaran utama untuk bahan semikonduktor generasi ketiga GaN, pengecasan pantas PD telah matang secara beransur-ansur. Pada masa hadapan, bekalan kuasa berkuasa tinggi seperti LED, stesen pangkalan dan pelayan mungkin menjadi pasaran aplikasi popular untuk bahan GaN.

SiC akan bersinar dalam pasaran bekalan kuasa automotif

Shenzhen Mipson Semiconductor Co., Ltd. ("Mipson" ringkasnya) telah komited dalam pembangunan, pengeluaran dan promosi bahan semikonduktor generasi ketiga SiC sejak penubuhannya. Gabungan dwi menyediakan pelanggan dengan pilihan yang lebih stabil. Pada masa ini, produk SiC syarikat telah digunakan secara matang dalam bidang pengecasan pantas PD, bekalan kuasa lampu, penyongsang fotovoltaik dan bekalan kuasa pelayan; mengikut pasaran berbeza yang sepadan dengan segmen voltan, digabungkan dengan teknologi proses terkini, parameter utama dibezakan untuk menjadikan produk lebih sesuai untuk pengguna. Reka bentuk. Pada masa ini, MPS telah membekalkan produk rintangan dalaman ultra-rendah SiC MOS dalam kelompok, dan mempunyai keupayaan untuk berkongsi pasaran dengan jenama import, dan terus melabur dalam penyelidikan dan pembangunan untuk membawa lebih banyak pilihan kos efektif kepada pelanggan melalui penambahbaikan berterusan.

Menurut laporan, MPS telah secara aktif menggunakan pasaran transit rel dan bekalan kuasa kenderaan dalam bidang bahan semikonduktor generasi ketiga, dan telah mencapai persetujuan dengan beberapa pengeluar kereta domestik terkemuka, dan beberapa produk telah pun memulakan percubaan on-board.

Pada masa ini, peranti SiC Xinmin digunakan terutamanya dalam penyongsang, termasuk penyongsang mikro dan penyongsang berkuasa tinggi. Pada masa ini, produk utama yang dilancarkan oleh Xinmin ialah diod SiC Schottky dan modul Schottky. Dilaporkan bahawa pasaran bahan semikonduktor generasi ketiga Xinmin akan digunakan terutamanya dalam keadaan bekalan kuasa berkecekapan tinggi dan berkuasa tinggi seperti cerucuk pengecasan dan bekalan kuasa pelayan.

Sehingga tahun ini, Tyco Tianrun Semiconductor Technology (Beijing) Co., Ltd. ("Tyco Tianrun") telah terlibat secara mendalam dalam bidang cip SiC selama sepuluh tahun, dan produknya telah digunakan secara meluas dalam industri (seperti tinggi -bekalan kuasa LED kuasa, bekalan kuasa PC, bekalan kuasa komunikasi, penyongsang fotovoltaik dan modul pengecasan cerucuk pengecasan, dsb.), bekalan kuasa kenderaan (seperti OBC, DCDC, dll.), pasaran pengguna (seperti pengecasan pantas PD) .

Qiu Qi, naib presiden pemasaran Tyco Tianrun, percaya bahawa arah bekalan kuasa masa depan ialah pengecilan, berat ringan dan ketumpatan kuasa tinggi, dan bidang baru muncul seperti kenderaan elektrik mestilah salah satu bidang aplikasi utama peranti silikon karbida. Kerana jika kawalan elektronik motor kenderaan elektrik menggunakan penyelesaian silikon karbida penuh, purata enam silikon karbida wafer enam inci akan digunakan. Kuasa juga ada dalam kenderaan tenaga baharu.

Kenderaan tenaga baharu memerlukan sejumlah besar komponen elektronik dan elektrik automotif. Peranti ini memainkan peranan yang sangat penting dalam nilai keseluruhan, saiz, isipadu, prestasi dinamik, kapasiti beban lampau, ketahanan dan kebolehpercayaan mesin yang lengkap. Sebagai peranti kuasa yang dominan, IGBT berasaskan silikon digunakan dalam pengawal motor kenderaan tenaga baharu, dan motor serta pengawalnya menyumbang kira-kira 7%-10% daripada kos keseluruhan kenderaan, yang merupakan komponen kos kedua tertinggi selepas bateri. Peranti utama yang menentukan kecekapan tenaga keseluruhan kenderaan. Pada masa yang sama, untuk mencapai ketumpatan kuasa yang lebih tinggi dan kebolehpercayaan yang tinggi, peranti kuasa pengecasan pantas perlu mempunyai prestasi yang lebih kukuh, dan peranti kuasa automotif generasi baharu berdasarkan bahan semikonduktor generasi ketiga SiC juga akan bersinar.

Proses penggantian domestik akan berterusan, dan kos akan berkurangan secara beransur-ansur

Daripada gelombang kehabisan stok pada 2018, pengeluar asing yang besar menumpukan pada membekalkan pelanggan asing secara serentak, kepada kesan wabak pada 2020, pangkalan pengeluaran pengeluar asing di Asia Tenggara telah terjejas teruk oleh pengurangan pengeluaran, dan domestik pengeluar jenama telah berulang kali memikul tanggungjawab berat penghantaran. Di samping itu, pembangunan semikonduktor generasi ketiga yang giat telah dinaik taraf kepada strategi nasional. Digabungkan dengan pasaran permintaan domestik yang besar, terdapat ruang yang tidak pernah berlaku sebelum ini untuk penyetempatan dan penggantian, dan ia juga telah memberi peluang kepada keseluruhan rantaian industri semikonduktor generasi ketiga domestik untuk bergerak.

Tahun ini, terima kasih kepada sokongan kerajaan dan usaha berterusan industri semikonduktor domestik, semikonduktor domestik generasi ketiga berkembang pada kelajuan yang luar biasa. Dari segi semikonduktor generasi ketiga, jurang antara semikonduktor domestik dan asing tidak begitu jelas seperti semikonduktor generasi pertama dan kedua. Setakat diod SiC berkenaan, produk domestik pada dasarnya telah disetempatkan dan telah memasuki bidang perindustrian dan automotif; dari segi SiC Mosfet, masih terdapat beberapa jurang di dalam dan luar negara; dari segi GaN, skala pasaran peralatan GaN RF negara saya terus berkembang. Tunjang utama dan pemacu pertumbuhan utama ialah infrastruktur komunikasi tanpa wayar, dsb. Dari segi GaN berasaskan silikon, ia kini digunakan terutamanya dalam produk pengecasan pantas PD telefon mudah alih, kerana produk pengguna adalah sangat sensitif kos, dan ambang teknikal produk itu sendiri lebih rendah daripada Kelas industri dan kelas kenderaan, jurang antara domestik dan asing tidak lagi jelas dalam masa terdekat.

Yuan Weiwang meramalkan bahawa dalam beberapa tahun akan datang, SiC Schottky akan disetempatkan sepenuhnya. Pada masa ini, SiC MOS masih berasaskan ROHM di Jepun, cree di Amerika Syarikat dan STMicroelectronics dan Infineon di Eropah. Penyetempatan MOS masih memerlukan penggilapan lanjut proses teknikal, tetapi arah aliran jangka panjang masih penyetempatan.

Pada masa ini, hala tuju pembangunan peranti semikonduktor generasi ketiga adalah jelas, dan kilang asal domestik menduduki masa dan tempat yang sesuai. Untuk persekitaran SiC bahan semikonduktor generasi ketiga domestik, dalam dua tahun yang lalu, di bawah tekanan perang perdagangan China-AS, wabak asing, dan penutupan kilang pembungkusan di Asia Tenggara, pengeluar asing yang menunggu dan- melihat sikap terhadap pengeluar domestik pada tahun-tahun awal secara beransur-ansur membuka tangan mereka. Pelanggan juga mempunyai sikap terbuka untuk berkomunikasi dengan pengeluar asal domestik. Sebaliknya, terdapat ikatan yang mendalam antara beberapa rakan asing dan pengeluar kereta Eropah dan Amerika, dan kapasiti bekalan kepada pelanggan lain telah merosot. Disebabkan bekalan tidak mencukupi, pelanggan penanda aras domestik akan mempertimbangkan semikonduktor domestik termasuk SiC domestik.

Qiu Qi percaya bahawa, daripada 4 inci hingga 6 inci bahan silikon karbida dan juga 8 inci pada masa hadapan, kos bahan semikonduktor generasi ketiga SiC akan menurun, yang akan menenggelamkan pasaran silikon yang tersegmentasi.

Yang Yong, pengurus produk Mipson, berkata pada masa akan datang, jurang antara bahan semikonduktor generasi ketiga dan produk pengeluar asing akan menjadi lebih kecil dan lebih kecil, sehingga mereka mengejar atau mengatasi, dan harga pasti akan semakin dekat dan lebih dekat dengan suasana. Ke Wei, pengurus pasaran Teknologi Silikon Nitrogen, percaya bahawa dalam tempoh 3-5 tahun, kos peranti kuasa GaN domestik sudah pasti akan menghampiri harga MOS berasaskan silikon tradisional dan menjadi kegemaran pasaran baharu.

Proses penggantian domestik bahan semikonduktor generasi ketiga masih jauh lagi. Yuan Weiwang percaya bahawa dalam semikonduktor generasi ketiga semasa, peranti GaN masih dikuasai oleh Navitas, PI dan gansystem di Kanada. Sektor perindustrian dan automotif masih jauh lagi.

Hala tuju baharu untuk pembangunan bahan semikonduktor generasi ketiga

Seperti yang kita sedia maklum, tujuan penggunaan bahan semikonduktor generasi ketiga adalah untuk meningkatkan kecekapan produk dan ketumpatan kuasa. Produk berkuasa tinggi terutamanya dibangunkan daripada Si IGBT kepada SiC MOSFET. Pada masa ini, ia telah mula digantikan sepenuhnya dalam aplikasi kenderaan. Peningkatan kecekapan dan pengurangan berat secara langsung meningkatkan hayat bateri kenderaan elektrik. Produk kuasa kecil dan sederhana ialah pembangunan Si MOSFET kepada GaN HEMT, dan aplikasi utama ialah bekalan kuasa pusat data dan penyesuai pengecasan.

Tenaga yang digunakan oleh pusat data menyumbang kira-kira 10% daripada jumlah penjanaan kuasa. Bekalan kuasa yang direka dengan bahan semikonduktor generasi ketiga GaN boleh meningkatkan kecekapan sebanyak 3 hingga 5 mata, sekali gus menjimatkan 3 hingga 5 perseribu penggunaan elektrik negara. . Ini mempunyai implikasi yang sangat penting untuk neutraliti karbon. Dari segi penyesuai pengecasan, penggunaan galium nitrida boleh mengurangkan separuh isipadu, dan ia pada asasnya telah menjadi permintaan tegar untuk pengguna. Lebih-lebih lagi dengan pengenalan PD3.1, pada masa hadapan, anda hanya perlu membawa penyesuai PD untuk mengecas mana-mana peralatan elektrik mudah alih. Ia akan menjadi pasaran berbilion dolar.

Yang Yong percaya bahawa dengan nada strategik nasional "neutraliti karbon" dan sokongan berterusan untuk semikonduktor generasi ketiga, China pasti akan menerajui pasaran pengguna SiC bahan semikonduktor generasi ketiga global pada masa hadapan. Pada masa yang sama, apabila proses SiC bahan semikonduktor generasi ketiga domestik mula matang secara beransur-ansur, dan telah berada dalam pengeluaran yang stabil, adalah dipercayai bahawa masalah bahan semikonduktor generasi ketiga boleh diselesaikan secara asas dalam masa terdekat.

Trend penyetempatan tidak dapat dihalang. Semikonduktor generasi ketiga adalah produk utama pemintas negara di selekoh. Dengan kemajuan teknologi, akan wujud ruang pasaran yang sangat luas. "Bahan semikonduktor generasi ketiga bukan sahaja SiC dan GaN, tetapi juga sebatian seperti gallium arsenide (GaAs) juga merupakan kuasa penting pada masa hadapan, dan akan mempunyai aplikasi luas dalam PA 5G semasa, pembawa jalur lebar talian kuasa dan bidang lain. ." Yuan Weiwang berkata.

Kesimpulan

Didorong oleh dasar negara dan sokongan industri semikonduktor, bahan semikonduktor generasi ketiga yang diwakili oleh GaN dan SiC telah menjadi tumpuan penting dalam pembangunan industri semikonduktor. Terutamanya dalam bidang pengecasan pantas PD dan kenderaan tenaga baharu, penggunaan bahan semikonduktor generasi ketiga GaN dan SiC telah menggalakkan inovasi dan lelaran produk. Memandangkan status semasa penggantian domestik, apabila pengeluar domestik terus membangun dan berinovasi serta menerobos kesulitan teknikal, kedudukan industri semikonduktor generasi ketiga domestik akan menduduki tempat; Kos bahan semikonduktor juga akan menurun, dan bahan semikonduktor generasi ketiga seperti GaN dan SiC akan dilihat dalam banyak bidang seperti grid pintar dan transit rel untuk bekalan kuasa berkuasa tinggi.

Penafian: Artikel ini diterbitkan semula daripada "Industri Pembuatan Pintar Elektronik", artikel ini hanya mewakili pandangan peribadi pengarang, bukan pandangan Sacco Micro dan industri, hanya untuk cetakan semula dan perkongsian, untuk menyokong perlindungan hak harta intelek, sila nyatakan yang asal sumber dan pengarang. , jika terdapat sebarang pelanggaran, sila hubungi kami untuk memadamkannya.