voorwoord

De halfgeleidermaterialen van de derde generatie hebben superieure prestaties en energiebandstructuur en worden veel gebruikt bij de vervaardiging van radiofrequentieapparaten, opto-elektronische apparaten, stroomapparaten, enz., en zijn geleidelijk doorgedrongen in opkomende velden zoals 5G-communicatie, PD-snelladen en nieuwe energievoertuigen. Belangrijke ontwikkelingsrichting van de halfgeleiderindustrie. Het valt echter niet te ontkennen dat de technische problemen van GaN- en SiC-materialen nog steeds bestaan, dat de mate van binnenlandse substitutie niet hoog is en dat de kosten nog steeds hoog zijn, wat het proces van de derde generatie halfgeleiderindustrie in China teistert. Als belangrijke materialen om de productefficiëntie en vermogensdichtheid te verbeteren, heeft de huidige ontwikkelingsstatus van de derde generatie halfgeleidermaterialen GaN en SiC veel aandacht getrokken.

Technische problemen en kenmerken van GaN- en SiC-materialen

Momenteel worden de halfgeleidermaterialen GaN en SiC van de derde generatie erkend en zeer bezorgd door de markt. Op het gebied van vermogenshalfgeleiders zijn insiders uit de industrie van mening dat de technische problemen van het halfgeleidermateriaal SiC van de derde generatie, naast LED-lichtuitstraling en radiofrequentie, voornamelijk liggen in de beheersing van substraatdefecten. Momenteel worden de substraatmaterialen met een lage defectdichtheid voornamelijk geproduceerd door Europese, Amerikaanse en Japanse fabrikanten, en het zal lang duren voordat deze in China doorbreken.

Tegelijkertijd is het SiC-proces van halfgeleidermateriaal van de derde generatie moeilijk te controleren en leiden de fluctuaties in de productbatches tot een lage opbrengst en een monopolie op de levering van het belangrijkste materiaal. Er wordt zelfs afgeleid dat de marktprijs hoog is gebleven, en deze is momenteel slechts beperkt tot enkele toepassingsmarkten. Vergeleken met een reeks eigen kenmerken, zoals minder verlies, hoger rendement, hoge spanning en hoge temperatuurbestendigheid van SiC, begint de toepassing van het derde generatie halfgeleidermateriaal SiC echter meer industrieën te veranderen.

In tegenstelling tot SiC is GaN relatief complex. GaN is geen MOSFET in de ware zin van het woord, maar een HEMT (High Electron Mobility Transistor), met een schakelkarakteristiek die vergelijkbaar is met die van een MOSFET. GaN HEMT is een vlakke geleidende structuur die niet afhankelijk is van het substraat en kan worden geïmplementeerd op zowel saffier- als siliciumsubstraten, maar het is moeilijk om normal-off-componenten te implementeren. Zhang Dajiang, marketingdirecteur van Zhuhai Gallium Future Technology Co., Ltd. (kortweg "Gallium Future"), is van mening dat er twee oplossingen zijn: de ene is om P-type doping aan de gate toe te voegen om het tweedimensionale elektronengas te blokkeren en de normal-closed functie te realiseren; de andere is om een ​​laagspannings-MOSFET in serie met de source te schakelen en de laagspannings-MOSFET zo aan te sturen dat de negatieve spanningsuitschakeling van de GaN-gate plaatsvindt. Het voordeel is dat de MOSFET een sterk anti-interferentievermogen heeft.

Bovendien komen de huidige technische problemen van het derde generatie halfgeleidermateriaal GaN ook voort uit vele andere aspecten. Wat de procesmoeilijkheden betreft, worden GaN-materialen geconfronteerd met uitdagingen zoals apparaatopbrengst, consistentie en betrouwbaarheid; Hoe kunnen GaN-bedrijven de testinhoud en het testproces verbeteren en opdrachten voor klanten op de snelste en meest nauwkeurige manier selecteren? Goed apparaat; GaN's hoge hittebestendigheid, hoge frequentieweerstand, lage Vth en andere kenmerken zijn voorbestemd om een ​​andere verpakkingsrichting te hebben dan traditionele siliciumapparaten; Tegelijkertijd heeft de toevoeging van het derde generatie halfgeleidermateriaal GaN bij toepassing de traditionele energievoorzieningsindustrie ondermijnd. De nieuwe energie-industrie stelt hogere eisen aan PWM-besturingschips en transformatorfabrikanten.

De verslaggever ontdekte dat Chengdu Nitrogen Silicon Technology Co., Ltd. (ook wel "Nitrogen Silicon Technology" genoemd) na een lange periode van onderzoek en praktijk een complete reeks testlijnen heeft gebouwd, die niet alleen de normaal werkende apparaten kunnen selecteren voor klanten, maar kunnen de apparaten ook testen. Classificeer, bied klanten kosteneffectieve producten die aan de eisen kunnen voldoen en gebruik een groot aantal praktische testgegevens om de procesontwikkeling van de gieterij te helpen verbeteringsrichtingen te bieden. Aan de andere kant doet Nitrogen Silicon Technology krachtig onderzoek naar geavanceerde verpakkings- en afdichtingstechnologie om de prestaties en het gebruiksgemak van GaN-apparaten te verbeteren; Tegelijkertijd heeft het contact opgenomen met grote fabrikanten van transformatoren en PWM-chips om oplossingen te ontwikkelen.

Yuan Weiwang, CEO van Xinmin Microelectronics (Shanghai) Co., Ltd. (ook wel "Xinmin" genoemd), is van mening dat GaN vergelijkbaar is met siliciumapparaten, en dat de interne weerstand bij hoge temperaturen een toename vertoont van meer dan twee keer de coëfficiënt . In tegenstelling tot siliciumapparaten, schakelen Tijdens het proces zorgt de extra elektrische spanning ervoor dat de aan-weerstand dynamisch toeneemt. Daarom ligt de technische moeilijkheid van GaN-apparaten vooral in de manier waarop moet worden omgegaan met de verschillende interne weerstanden die worden veroorzaakt door verschillende gebruikstijd en omgevingstemperatuur, die als volgt worden weergegeven:

1: RDson vertoont een onstabiele toestand naarmate de temperatuur stijgt, zoals weergegeven in de volgende afbeelding:

Twee: RDson vertoont in de loop van de tijd ook een onstabiele toestand, zoals weergegeven in de volgende afbeelding:

Gebaseerd op de bovengenoemde problemen met GaN-componenten, is de oplossing om de factoren van thermo-elektrische spanning uitgebreid te overwegen en te overwegen om een ​​ontwerp met een RDson-marge van 3-3.5 keer de RDson-marge te gebruiken. SiC-componenten zijn in principe volwassen in de toepassing van huidige Schottky-diodes. Het grootste probleem is de stabiliteit van SiC-MOSFET's, wat een procesdebug- en verkenningsproces op lange termijn vereist. De technische problemen zijn grotendeels overwonnen.

Naast PD-snelladen valt GaN krachtige stroombronnen aan

Gallium Future is een toonaangevende fabrikant van GaN-vermogensapparaten in China, die zich toelegt op de R&D en productie van GaN-producten met Cascode-structuur. Volgens rapporten combineert de structuur het gebruiksgemak van siliciumapparaten en de hoogfrequente en hoogefficiënte kenmerken van GaN-apparaten om stroomoplossingen met een hoge vermogensdichtheid tot 10 kW te bereiken. De producten worden voornamelijk gebruikt voor krachtige servervoedingen, basisstationvoedingen, enz. Onlangs heeft Gallium Future twee kleine SMD cascode GaN-apparaten gelanceerd voor snellaadtoepassingen, G1N65R240PB en G1N65R480PA, overeenkomend met snelladen van 65 W en 33 W. respectievelijk toepassingen. Met zijn sterke anti-interferentievermogen en eenvoudige rijmethode helpt het gebruikers een eenvoudig en efficiënt GaN-snellaadontwerp te bereiken.

Momenteel is de toepassing van de GaN-stroomapparaten van Nitrogen Silicon Technology op consumentengebied zoals PD- en LED-voedingen geleidelijk volwassen geworden. Fabrikanten in witgoed, maar ook datacentra, fotovoltaïsche zonne-energie en andere industrieën, en zelfs op het gebied van auto-elektronica, hebben achtereenvolgens sterke interesse getoond in GaN-stroomapparaten van Nitrosil Technology. Er wordt gemeld dat Nitrogen Silicon Technology-producten in de toekomst zullen samenwerken met zelfontwikkelde GaN-driverchips om geleidelijk een markt met hoger vermogen en stabielere GaN-vermogensapparaten en -modules te ontwikkelen.

De verslaggever ontdekte dat Xinmin GaN power MOS voornamelijk wordt gebruikt voor supersnel opladen, LED-voeding en geminiaturiseerde voeding met hoge dichtheid. Onder hen is supersnel opladen de belangrijkste markt voor traditionele GaN, terwijl LED-voeding, geminiaturiseerde voeding met hoge dichtheid, zoals stroomonderbrekers, voeding voor microbasisstations een innovatief veld is, en het is ook de belangrijkste lay-outmarkt van Xinmin.

Als belangrijkste markt voor het derde generatie halfgeleidermateriaal GaN is PD-snelladen geleidelijk volwassen geworden. In de toekomst kunnen krachtige voedingen zoals LED's, basisstations en servers populaire toepassingsmarkten voor GaN-materialen worden.

SiC zal schitteren op de markt voor auto-energievoorziening

Shenzhen Mipson Semiconductor Co., Ltd. ("Mipson" in het kort) zet zich sinds de oprichting in voor de ontwikkeling, productie en promotie van het derde generatie halfgeleidermateriaal SiC. De dubbele combinatie biedt klanten stabielere keuzes. Momenteel worden de SiC-producten van het bedrijf volwassen toegepast op het gebied van PD-snelladen, verlichtingsvoeding, fotovoltaïsche omvormer en servervoeding; afhankelijk van de verschillende markten die overeenkomen met het spanningssegment, gecombineerd met de nieuwste procestechnologie, worden de belangrijkste parameters gedifferentieerd om de producten geschikter te maken voor gebruikers. Ontwerp. Momenteel levert MPS SiC MOS-producten met ultralage interne weerstand in batches, en heeft het de mogelijkheid om de markt te delen met geïmporteerde merken, en blijft het investeren in onderzoek en ontwikkeling om klanten door voortdurende verbetering kosteneffectievere opties te bieden.

Volgens rapporten heeft MPS de markten voor spoorwegvervoer en voertuigstroomvoorziening actief ingezet op het gebied van halfgeleidermaterialen van de derde generatie, en heeft het overeenkomsten gesloten met een aantal toonaangevende binnenlandse autofabrikanten, en zijn sommige producten al begonnen met testen aan boord.

Momenteel worden de SiC-componenten van Xinmin voornamelijk gebruikt in omvormers, waaronder micro-omvormers en hoogvermogenomvormers. De belangrijkste producten die Xinmin momenteel lanceert zijn SiC Schottky-diodes en Schottky-modules. Naar verluidt zal de markt voor derdegeneratie halfgeleidermaterialen van Xinmin zich voornamelijk richten op hoogrenderende en hoogvermogenvoedingen, zoals laadpalen en servervoedingen.

Sinds dit jaar is Tyco Tianrun Semiconductor Technology (Beijing) Co., Ltd. ("Tyco Tianrun") al tien jaar nauw betrokken op het gebied van SiC-chips, en zijn producten worden op grote schaal gebruikt in industrieën (zoals hoge -power LED-voedingen, pc-voedingen, communicatievoeding, fotovoltaïsche omvormer en laadmodule van laadpaal, enz.), voertuigvoeding (zoals OBC, DCDC, enz.), consumentenmarkt (zoals PD snelladen) markt .

Qiu Qi, vice-president marketing van Tyco Tianrun, is van mening dat de toekomstige richting van de stroomvoorziening miniaturisatie, lichtgewicht en hoge vermogensdichtheid is, en dat opkomende gebieden zoals elektrische voertuigen een van de belangrijkste toepassingsgebieden van siliciumcarbide-apparaten moeten zijn. Want als de elektronische motorbesturing van elektrische voertuigen de volledige siliciumcarbide-oplossing gebruikt, zullen er gemiddeld zes siliciumcarbide-wafels van 15 cm worden verbruikt. Stroom zit ook in nieuwe energievoertuigen.

Nieuwe energievoertuigen vereisen een groot aantal elektronische en elektrische componenten voor de auto. Deze componenten spelen een zeer belangrijke rol in de algehele waarde, grootte, volume, dynamische prestaties, overbelastbaarheid, duurzaamheid en betrouwbaarheid van de complete machine. Als dominante vermogenscomponent wordt silicium-gebaseerde IGBT gebruikt in de motorbesturing van nieuwe energievoertuigen. De motor en de bijbehorende besturing vertegenwoordigen ongeveer 7%-10% van de kosten van het hele voertuig, wat na de accu de op één na hoogste kostencomponent is. Het belangrijkste onderdeel bepaalt de energie-efficiëntie van het hele voertuig. Tegelijkertijd moeten snellaadapparaten betere prestaties leveren om een ​​hogere vermogensdichtheid en hoge betrouwbaarheid te bereiken. Een nieuwe generatie auto-energiecomponenten op basis van het derde-generatie halfgeleidermateriaal SiC zal ook schitteren.

Het proces van binnenlandse vervanging zal doorgaan en de kosten zullen geleidelijk afnemen

Vanaf de golf van uitverkochte voorraden in 2018 concentreerden grote buitenlandse fabrikanten zich op het gezamenlijk leveren aan buitenlandse klanten, tot aan de impact van de epidemie in 2020. De productiebasissen van buitenlandse fabrikanten in Zuidoost-Azië zijn zwaar getroffen door productieverminderingen, en binnenlandse merkfabrikanten hebben herhaaldelijk de zware verantwoordelijkheid van de levering op zich genomen. Bovendien is de krachtige ontwikkeling van halfgeleiders van de derde generatie opgewaardeerd tot een nationale strategie. Gecombineerd met de enorme binnenlandse vraagmarkt is er ongekende ruimte voor lokalisatie en vervanging, en het heeft ook de hele binnenlandse keten van de derde generatie halfgeleiderindustrie de kans gegeven om te herhalen.

Dit jaar, dankzij de steun van de staat en de niet aflatende inspanningen van de binnenlandse halfgeleiderindustrie, groeit de binnenlandse halfgeleiderindustrie van de derde generatie met een ongelooflijke snelheid. Wat betreft halfgeleiders van de derde generatie is de kloof tussen binnenlandse en buitenlandse halfgeleiders niet zo groot als die tussen halfgeleiders van de eerste en tweede generatie. Wat SiC-diodes betreft, zijn binnenlandse producten grotendeels gelokaliseerd en hebben ze hun intrede gedaan in de industriële en automobielsector; wat SiC Mosfet betreft, zijn er nog steeds enkele hiaten in binnen- en buitenland; wat GaN betreft, blijft de markt voor GaN RF-apparatuur in mijn land groeien. De belangrijkste pijlers en belangrijkste groeimotoren zijn draadloze communicatie-infrastructuur, enz. Wat silicium-gebaseerd GaN betreft, wordt het nu voornamelijk gebruikt in PD-snellaadproducten voor mobiele telefoons, omdat consumentenproducten zeer kostengevoelig zijn en de technische drempel van het product zelf lager ligt dan die van industriële en voertuigklassen, zal de kloof tussen binnenlandse en buitenlandse in de nabije toekomst niet langer groot zijn.

Yuan Weiwang voorspelt dat SiC Schottky de komende jaren volledig gelokaliseerd zal zijn. Momenteel is SiC MOS nog steeds voornamelijk gebaseerd op ROHM in Japan, cree in de Verenigde Staten en STMicroelectronics en Infineon in Europa. De lokalisatie van MOS vereist nog steeds verdere verfijning van technische processen, maar de langetermijntrend is nog steeds lokalisatie.

Op dit moment is de ontwikkelingsrichting van de halfgeleiderapparaten van de derde generatie duidelijk en nemen binnenlandse originele fabrieken de juiste tijd en plaats in beslag. Voor de binnenlandse SiC-omgeving van halfgeleidermateriaal van de derde generatie hebben buitenlandse fabrikanten de afgelopen twee jaar, onder druk van de Chinees-Amerikaanse handelsoorlog, buitenlandse epidemieën en de sluiting van verpakkingsfabrieken in Zuidoost-Azië, een afwachtende houding aangenomen. zie de houding ten opzichte van binnenlandse fabrikanten in de beginjaren geleidelijk hun armen openden. Klanten hebben ook een open houding om te communiceren met binnenlandse originele fabrikanten. Aan de andere kant bestaat er een diepe band tussen sommige buitenlandse vrienden en Europese en Amerikaanse autofabrikanten, en is de leveringscapaciteit aan andere klanten afgenomen. Vanwege onvoldoende aanbod zullen binnenlandse benchmarkklanten binnenlandse halfgeleiders overwegen, waaronder binnenlandse SiC.

Qiu Qi is van mening dat, van 4 inch naar 6 inch siliciumcarbidematerialen en zelfs 8 inch in de toekomst, de kosten van het derde generatie halfgeleidermateriaal SiC zullen dalen, waardoor de gesegmenteerde siliciummarkt zal zinken.

Yang Yong, productmanager van Mipson, zei dat in de toekomst de kloof tussen de halfgeleidermaterialen van de derde generatie en de producten van buitenlandse fabrikanten steeds kleiner zal worden, totdat ze hun achterstand inhalen of zelfs overtreffen, en de prijs zeker dichterbij zal komen. en dichter bij de atmosfeer. Ke Wei, de marktmanager van Nitrogen Silicon Technology, is van mening dat de kosten van binnenlandse GaN-stroomapparaten binnen drie tot vijf jaar onvermijdelijk de prijs van traditionele op silicium gebaseerde MOS zullen benaderen en de nieuwe lieveling van de markt zullen worden.

Het proces van binnenlandse vervanging van halfgeleidermaterialen van de derde generatie heeft nog een lange weg te gaan. Yuan Weiwang is van mening dat GaN-apparaten in de huidige derde generatie halfgeleiders nog steeds worden gedomineerd door Navitas, PI en gansystem in Canada. De industriële en automobielsector hebben nog een lange weg te gaan.

Nieuwe richting voor de ontwikkeling van halfgeleidermaterialen van de derde generatie

Zoals we allemaal weten, is het doel van het gebruik van derde-generatie halfgeleidermaterialen het verbeteren van de productefficiëntie en vermogensdichtheid. Hoogvermogenproducten worden voornamelijk ontwikkeld op basis van Si IGBT's en SiC MOSFET's. Momenteel worden ze volledig vervangen in voertuigtoepassingen. De verbeterde efficiëntie en de gewichtsvermindering verbeteren direct de levensduur van de accu van elektrische voertuigen. De producten voor kleine en middelgrote vermogens zijn ontwikkeld op basis van Si MOSFET's en GaN HEMT's, en de belangrijkste toepassingen zijn voedingen en laadadapters voor datacenters.

De energie die door het datacenter wordt verbruikt, is goed voor ongeveer 10% van de totale energieopwekking. De voeding die is ontworpen met het derde generatie halfgeleidermateriaal GaN kan de efficiëntie met 3 tot 5 punten verhogen, waardoor 3 tot 5 duizendste van het elektriciteitsverbruik van het land wordt bespaard. . Dit heeft zeer belangrijke implicaties voor de koolstofneutraliteit. Wat betreft oplaadadapters kan het gebruik van galliumnitride het volume met de helft verminderen, en het is in feite een rigide vraag voor consumenten geworden. Zeker met de introductie van PD3.1 hoef je in de toekomst alleen nog maar een PD-adapter mee te nemen om draagbare elektrische apparaten op te laden. Het wordt een miljardenmarkt.

Yang Yong is van mening dat China, met de nationale strategische toon van "koolstofneutraliteit" en de voortdurende steun voor de derde generatie halfgeleiders, in de toekomst zeker de mondiale derde generatie halfgeleidermateriaal SiC-consumentenmarkt zal leiden. Tegelijkertijd wordt aangenomen dat het probleem van halfgeleidermaterialen van de derde generatie in de nabije toekomst fundamenteel kan worden opgelost, nu het binnenlandse SiC-proces voor halfgeleidermateriaal van de derde generatie geleidelijk begint te rijpen en een stabiele productie kent.

De trend van lokalisatie is niet te stoppen. De halfgeleider van de derde generatie is het belangrijkste product van de inhaalbewegingen van het land in bochten. Met de vooruitgang van de technologie zal er een zeer brede marktruimte ontstaan. "De halfgeleidermaterialen van de derde generatie zijn niet alleen SiC en GaN, maar ook verbindingen zoals galliumarsenide (GaAs) zijn ook belangrijke krachten in de toekomst en zullen brede toepassingen hebben in de huidige 5G PA, breedbanddraaggolf voor stroomlijnen en andere velden ." Zei Yuan Weiwang.

Conclusie

Gedreven door nationaal beleid en de steun van de halfgeleiderindustrie zijn de halfgeleidermaterialen van de derde generatie, vertegenwoordigd door GaN en SiC, een belangrijk aandachtspunt geworden in de ontwikkeling van de halfgeleiderindustrie. Vooral op het gebied van PD-snelladen en nieuwe energievoertuigen heeft het gebruik van halfgeleidermaterialen van de derde generatie GaN en SiC de productinnovatie en iteratie enorm bevorderd. In het licht van de huidige status van binnenlandse substitutie, terwijl binnenlandse fabrikanten zich blijven ontwikkelen en innoveren en technische moeilijkheden blijven doorbreken, zal de positie van de binnenlandse halfgeleiderindustrie van de derde generatie een plaats innemen; De kosten van halfgeleidermaterialen zullen ook dalen, en halfgeleidermaterialen van de derde generatie, zoals GaN en SiC, zullen op veel terreinen te zien zijn, zoals slimme netwerken en spoorvervoer voor stroomvoorzieningen met een hoger vermogen.

Disclaimer: dit artikel is overgenomen uit "Electronic Intelligent Manufacturing Industry", dit artikel vertegenwoordigt alleen de persoonlijke mening van de auteur, niet Sacco Micro en de mening van de industrie, alleen voor herdrukken en delen, ter ondersteuning van de bescherming van intellectuele eigendomsrechten, geef het origineel aan bron en auteur. Als er sprake is van inbreuk, neem dan contact met ons op om deze te verwijderen.