Przedmowa

Materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji charakteryzują się doskonałą wydajnością i strukturą pasma energii i są szeroko stosowane w produkcji urządzeń o częstotliwości radiowej, urządzeń optoelektronicznych, urządzeń zasilających itp. i stopniowo przenikają do nowych dziedzin, takich jak komunikacja 5G, szybkie ładowanie PD i nowe pojazdy energetyczne. Ważny kierunek rozwoju przemysłu półprzewodników. Nie można jednak zaprzeczyć, że nadal istnieją trudności techniczne związane z materiałami GaN i SiC, stopień substytucji krajowej nie jest wysoki, a koszty są nadal wysokie, co jest plagą dla przemysłu półprzewodników trzeciej generacji w Chinach. Jako kluczowe materiały poprawiające wydajność produktu i gęstość mocy, obecny stan rozwoju materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji GaN i SiC przyciąga wiele uwagi.

Trudności techniczne i właściwości materiałów GaN i SiC

Obecnie materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji GaN i SiC cieszą się dużym uznaniem rynku i dużym zainteresowaniem. W dziedzinie półprzewodników mocy znawcy branży uważają, że oprócz emisji światła LED i częstotliwości radiowych, trudności techniczne związane z materiałem półprzewodnikowym trzeciej generacji SiC polegają głównie na kontroli defektów podłoża. Obecnie materiały podłoża o niskiej gęstości defektów produkowane są głównie przez producentów europejskich, amerykańskich i japońskich, a przebicie się w Chinach zajmie dużo czasu.

Jednocześnie proces SiC w zakresie materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji jest trudny do kontrolowania, a wahania partii produktu prowadzą do niskiej wydajności i monopolu na główne dostawy materiałów. Wywnioskowano nawet, że cena rynkowa utrzymuje się na wysokim poziomie i obecnie ogranicza się tylko do niektórych rynków zastosowań. Jednakże w porównaniu z szeregiem własnych cech, takich jak mniejsze straty, wyższa wydajność, odporność SiC na wysokie napięcie i wysoką temperaturę, zastosowanie materiału półprzewodnikowego trzeciej generacji SiC zaczęło zmieniać więcej gałęzi przemysłu.

W przeciwieństwie do SiC, GaN jest stosunkowo złożony. GaN nie jest tranzystorem MOSFET w prawdziwym tego słowa znaczeniu, lecz tranzystorem HEMT (High Electron Mobility Transistor), który ma charakterystykę przełączania podobną do tranzystora MOSFET. GaN HEMT to płaska struktura przewodząca, niezależna od podłoża i może być implementowana zarówno na podłożach szafirowych, jak i krzemowych, ale trudno jest ją wdrożyć jako układ normalnie wyłączony. Zhang Dajiang, dyrektor ds. marketingu w Zhuhai Gallium Future Technology Co., Ltd. (w skrócie „Gallium Future”), uważa, że ​​istnieją dwa rozwiązania: jedno polega na dodaniu domieszki typu P do bramki, aby zablokować dwuwymiarowy gaz elektronowy i zrealizować funkcję normalnie zamkniętego obwodu; drugie polega na połączeniu niskonapięciowego tranzystora MOSFET szeregowo ze źródłem i sterowaniu nim w celu zapewnienia ujemnego napięcia wyłączającego bramkę GaN. Zaletą jest to, że MOSFET ma silne właściwości przeciwzakłóceniowe.

Ponadto obecne trudności techniczne związane z materiałem półprzewodnikowym trzeciej generacji GaN wynikają również z wielu innych aspektów. Pod względem trudności procesu materiały GaN stoją przed wyzwaniami, takimi jak wydajność urządzenia, konsystencja i niezawodność; w przypadku firm GaN, w jaki sposób mogą ulepszyć zawartość testów oraz przetwarzać i selekcjonować zadania dla klientów w najszybszy i najdokładniejszy sposób? Dobre urządzenie; Wysoka odporność cieplna GaN, odporność na wysoką częstotliwość, niskie Vth i inne cechy powodują, że kierunek pakowania jest inny niż w przypadku tradycyjnych urządzeń krzemowych; jednocześnie w zastosowaniu dodatek materiału półprzewodnikowego trzeciej generacji GaN obalił tradycyjny przemysł zasilaczy. Nowa energetyka stawia wyższe wymagania producentom układów sterujących PWM i transformatorów.

Reporter dowiedział się, że firma Chengdu Nitrogen Silicon Technology Co., Ltd. (zwana „Nitrogen Silicon Technology”) po długim okresie badań i praktyki zbudowała kompletny zestaw linii testowych, które mogą nie tylko wybrać normalnie działające urządzenia do klientów, ale także może testować urządzenia. Klasyfikuj, dostarczaj klientom opłacalne produkty, które mogą spełnić wymagania, i wykorzystuj dużą liczbę praktycznych danych testowych, aby pomóc w rozwoju procesów odlewni w celu zapewnienia kierunków ulepszeń. Z drugiej strony firma Nitrogen Silicon Technology intensywnie bada zaawansowane technologie pakowania i uszczelniania w celu zwiększenia wydajności i łatwości użytkowania urządzeń GaN; jednocześnie skontaktował się z głównymi producentami transformatorów i układów PWM w celu opracowania rozwiązań.

Yuan Weiwang, dyrektor generalny Xinmin Microelectronics (Shanghai) Co., Ltd. (określanej jako „Xinmin”), uważa, że ​​GaN jest podobny do urządzeń krzemowych, a rezystancja wewnętrzna w wysokiej temperaturze wykazuje ponad 2-krotny wzrost współczynnika . W odróżnieniu od urządzeń krzemowych, przełącznik. Podczas tego procesu dodatkowe naprężenie elektryczne powoduje dynamiczny wzrost rezystancji włączenia. Dlatego trudność techniczna urządzeń GaN polega głównie na radzeniu sobie z różnymi rezystancjami wewnętrznymi spowodowanymi różnym czasem użytkowania i temperaturą otoczenia, które przedstawiono w następujący sposób:

1: RDson wykazuje stan niestabilny wraz ze wzrostem temperatury, jak pokazano na poniższym rysunku:

Po drugie: RDson również wykazuje niestabilność w czasie, jak pokazano na poniższym rysunku:

Biorąc pod uwagę powyższe problemy związane z urządzeniami GaN, rozwiązaniem jest kompleksowe uwzględnienie czynników naprężenia termoelektrycznego i rozważenie zastosowania konstrukcji o marginesie RDson 3-3.5-krotnie większym. Urządzenia SiC są zasadniczo dojrzałe w zastosowaniu do obecnych diod Schottky'ego. Głównym problemem jest stabilność tranzystorów MOSFET SiC, która wymaga długotrwałego debugowania i eksploracji procesu, a trudności techniczne zostały już zasadniczo przezwyciężone.

Oprócz szybkiego ładowania PD, GaN atakuje źródła zasilania o dużej mocy

Gallium Future jest wiodącym producentem urządzeń zasilających GaN w Chinach, zajmującym się badaniami i rozwojem oraz produkcją produktów GaN o strukturze Cascode. Według doniesień konstrukcja łączy w sobie łatwość obsługi urządzeń krzemowych oraz wysoką częstotliwość i wysoką wydajność urządzeń GaN, aby osiągnąć rozwiązania o dużej gęstości mocy do 10 kW. Produkty te są stosowane głównie w zasilaczach serwerów dużej mocy, zasilaczach stacji bazowych itp. Niedawno firma Gallium Future wprowadziła na rynek dwa małe urządzenia cascode SMD GaN do zastosowań szybkiego ładowania, G1N65R240PB i G1N65R480PA, odpowiadające szybkiemu ładowaniu o mocy 65 W i 33 W odpowiednio aplikacje. Dzięki silnym właściwościom przeciwzakłóceniowym i prostej metodzie jazdy pomaga użytkownikom osiągnąć prostą i wydajną konstrukcję szybkiego ładowania GaN.

Obecnie zastosowanie urządzeń zasilających GaN firmy Nitrogen Silicon Technology w dziedzinach konsumenckich, takich jak zasilacze PD i LED, stopniowo dojrzewa. Producenci sprzętu AGD, a także centrów danych, fotowoltaiki i innych gałęzi przemysłu, a nawet elektroniki samochodowej sukcesywnie wykazują duże zainteresowanie urządzeniami zasilającymi GaN firmy Nitrosil Technology. Poinformowano, że w przyszłości produkty Nitrogen Silicon Technology będą współpracować z samodzielnie opracowanymi chipami sterowników GaN, aby stopniowo wdrażać rynek urządzeń i modułów zasilających GaN o większej mocy i bardziej stabilnych.

Reporter dowiedział się, że MOS mocy Xinmin GaN jest stosowany głównie w superszybkim ładowaniu, zasilaniu LED i zminiaturyzowanym zasilaczu o dużej gęstości. Wśród nich superszybkie ładowanie jest głównym rynkiem tradycyjnego GaN, podczas gdy zasilacze LED, zminiaturyzowane zasilacze o dużej gęstości, takie jak wyłączniki automatyczne, zasilacze mikrostacji bazowych to innowacyjna dziedzina, a także jest to główny rynek układu Xinmin.

Jako główny rynek materiału półprzewodnikowego trzeciej generacji GaN, szybkie ładowanie PD stopniowo dojrzewa. W przyszłości zasilacze dużej mocy, takie jak diody LED, stacje bazowe i serwery, mogą stać się popularnymi rynkami zastosowań materiałów GaN.

SiC zabłyśnie na rynku zasilaczy samochodowych

Firma Shenzhen Mipson Semiconductor Co., Ltd. (w skrócie „Mipson”) od chwili swojego powstania zaangażowała się w rozwój, produkcję i promocję materiału półprzewodnikowego trzeciej generacji SiC. Podwójna kombinacja zapewnia klientom bardziej stabilne wybory. Obecnie produkty SiC firmy zostały w dojrzały sposób zastosowane w obszarach szybkiego ładowania PD, zasilania oświetlenia, falowników fotowoltaicznych i zasilania serwerów; w zależności od różnych rynków odpowiadających segmentowi napięcia, w połączeniu z najnowszą technologią procesową, kluczowe parametry są zróżnicowane, aby produkty były bardziej odpowiednie dla użytkowników. Projekt. Obecnie firma MPS dostarcza partiami produkty SiC MOS o bardzo niskim oporze wewnętrznym i ma możliwość dzielenia się rynkiem z importowanymi markami, a także nadal inwestuje w badania i rozwój, aby dzięki ciągłemu doskonaleniu zapewniać klientom bardziej opłacalne opcje.

Według doniesień MPS aktywnie wdrożyło rynki transportu kolejowego i zasilania pojazdów w zakresie materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji i osiągnęło porozumienia z wieloma wiodącymi krajowymi producentami samochodów, a niektóre produkty rozpoczęły już próby na pokładzie.

Obecnie urządzenia SiC firmy Xinmin są wykorzystywane głównie w inwerterach, w tym mikroinwerterach i inwerterach dużej mocy. Głównymi produktami wprowadzanymi na rynek przez Xinmin są obecnie diody Schottky'ego SiC i moduły Schottky'ego. Według doniesień, rynek materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji firmy Xinmin będzie wykorzystywany głównie w układach zasilania o wysokiej sprawności i dużej mocy, takich jak stacje ładowania i zasilacze serwerowe.

Od tego roku firma Tyco Tianrun Semiconductor Technology (Beijing) Co., Ltd. („Tyco Tianrun”) od dziesięciu lat jest głęboko zaangażowana w dziedzinie chipów SiC, a jej produkty są szeroko stosowane w gałęziach przemysłu (takich jak wysokie -zasilacze LED mocy, zasilacze do komputerów PC, zasilacze komunikacyjne, falownik fotowoltaiczny i moduł ładowania stosu ładującego itp.), źródła zasilania pojazdów (takie jak OBC, DCDC itp.), rynek konsumencki (takie jak szybkie ładowanie PD) .

Qiu Qi, wiceprezes ds. marketingu Tyco Tianrun, uważa, że ​​przyszły kierunek dostaw energii to miniaturyzacja, niewielka waga i duża gęstość mocy, a nowe dziedziny, takie jak pojazdy elektryczne, muszą być jednym z głównych obszarów zastosowań urządzeń z węglika krzemu. Ponieważ jeśli w elektronicznym sterowaniu silnikiem pojazdu elektrycznego zastosowano rozwiązanie w całości wykonane z węglika krzemu, zużytych zostanie średnio sześć sześciocalowych płytek z węglika krzemu. Moc tkwi także w nowych pojazdach napędzanych energią.

Pojazdy o nowym napędzie elektrycznym wymagają dużej liczby podzespołów elektronicznych i elektrycznych. Urządzenia te odgrywają bardzo ważną rolę w ogólnej wartości, rozmiarze, objętości, dynamice, przeciążalności, trwałości i niezawodności całego pojazdu. Dominującym elementem mocy jest krzemowy tranzystor IGBT, stosowany w sterownikach silników pojazdów o nowym napędzie elektrycznym. Silnik i jego sterownik stanowią około 7–10% kosztów całego pojazdu, co stanowi drugi co do wielkości koszt po akumulatorze. Kluczowe urządzenie, które decyduje o efektywności energetycznej całego pojazdu. Jednocześnie, aby osiągnąć wyższą gęstość mocy i wysoką niezawodność, urządzenia do szybkiego ładowania muszą charakteryzować się większą wydajnością, a nowa generacja samochodowych urządzeń zasilających opartych na półprzewodnikach SiC trzeciej generacji również będzie się wyróżniać.

Proces krajowej substytucji będzie kontynuowany, a koszty będą stopniowo spadać

Od fali wyczerpania zapasów w 2018 r., duzi zagraniczni producenci skupili się na jednolitym zaopatrzeniu zagranicznych klientów, po wpływ epidemii w 2020 r., bazy produkcyjne zagranicznych producentów w Azji Południowo-Wschodniej zostały poważnie dotknięte redukcjami produkcji, a krajowe Producenci tej marki wielokrotnie podejmowali na siebie dużą odpowiedzialność za dostawę. Ponadto energiczny rozwój półprzewodników trzeciej generacji został uznany za strategię krajową. W połączeniu z ogromnym rynkiem krajowym, istnieje bezprecedensowa przestrzeń dla lokalizacji i substytucji, a także dało to szansę na iterację całemu krajowemu łańcuchowi przemysłu półprzewodników trzeciej generacji.

W tym roku, dzięki wsparciu państwa i nieustającym wysiłkom krajowego przemysłu półprzewodnikowego, krajowe półprzewodniki trzeciej generacji rosną w niewiarygodnym tempie. Jeśli chodzi o półprzewodniki trzeciej generacji, różnica między krajowymi i zagranicznymi półprzewodnikami nie jest tak oczywista, jak w przypadku półprzewodników pierwszej i drugiej generacji. Jeśli chodzi o diody SiC, produkty krajowe zostały zasadniczo zlokalizowane i weszły na rynek przemysłowy i motoryzacyjny; jeśli chodzi o SiC MOSFET, nadal istnieją pewne luki w kraju i za granicą; jeśli chodzi o GaN, skala rynku urządzeń RF GaN w moim kraju stale rośnie. Głównymi filarami i głównymi czynnikami wzrostu są infrastruktura komunikacji bezprzewodowej itp. Jeśli chodzi o GaN na bazie krzemu, jest on obecnie wykorzystywany głównie w produktach do szybkiego ładowania telefonów komórkowych PD, ponieważ produkty konsumenckie są bardzo wrażliwe na koszty, a próg techniczny samego produktu jest niższy niż w przypadku klasy przemysłowej i klasy pojazdów, różnica między krajowymi i zagranicznymi nie będzie już oczywista w najbliższej przyszłości.

Yuan Weiwang przewiduje, że w ciągu najbliższych kilku lat SiC Schottky zostanie w pełni zlokalizowany. Obecnie SiC MOS nadal opiera się głównie na ROHM w Japonii, cree w Stanach Zjednoczonych oraz STMicroelectronics i Infineon w Europie. Lokalizacja MOS w dalszym ciągu wymaga dalszego dopracowania procesów technicznych, ale długoterminowym trendem jest nadal lokalizacja.

Obecnie kierunek rozwoju urządzeń półprzewodnikowych trzeciej generacji jest jasny, a krajowe oryginalne fabryki zajmują właściwy czas i miejsce. W przypadku krajowego środowiska materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji SiC, w ciągu ostatnich dwóch lat, pod presją wojny handlowej chińsko-amerykańskiej, zagranicznych epidemii i zamykania fabryk opakowań w Azji Południowo-Wschodniej, zagraniczni producenci, którzy czekali i zobacz stosunek do krajowych producentów w pierwszych latach stopniowo otwierał ramiona. Klienci wykazują także otwarte podejście do komunikacji z krajowymi oryginalnymi producentami. Z drugiej strony istnieje głęboka więź między niektórymi zagranicznymi przyjaciółmi a europejskimi i amerykańskimi producentami samochodów, a możliwości dostaw dla innych klientów spadły. Ze względu na niewystarczającą podaż krajowi klienci wzorcowi rozważą krajowe półprzewodniki, w tym krajowy SiC.

Qiu Qi uważa, że ​​z 4 do 6 cali materiałów z węglika krzemu, a w przyszłości nawet 8 cali, koszt materiału półprzewodnikowego trzeciej generacji SiC spadnie, co pogrąży podzielony na segmenty rynek krzemu.

Yang Yong, menadżer produktu w firmie Mipson, powiedział, że w przyszłości różnica pomiędzy materiałami półprzewodnikowymi trzeciej generacji a produktami zagranicznych producentów będzie coraz mniejsza, aż dogonią lub nawet przewyższą, a cena na pewno się zbliży i bliżej atmosfery. Ke Wei, menadżer ds. rynku w firmie Nitrogen Silicon Technology, uważa, że ​​w ciągu 3-5 lat koszt krajowych urządzeń zasilających GaN nieuchronnie zbliży się do ceny tradycyjnych krzemowych MOS i stanie się nowym ulubieńcem rynku.

Do procesu krajowej substytucji materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji jeszcze daleka droga. Yuan Weiwang uważa, że ​​w obecnych półprzewodnikach trzeciej generacji urządzenia GaN są nadal zdominowane przez Navitas, PI i gansystem w Kanadzie. Przed sektorem przemysłowym i motoryzacyjnym jeszcze długa droga.

Nowy kierunek rozwoju materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji

Jak powszechnie wiadomo, celem stosowania materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji jest poprawa wydajności produktu i gęstości mocy. Produkty dużej mocy są rozwijane głównie od tranzystorów Si IGBT do tranzystorów SiC MOSFET. Obecnie zaczęto je całkowicie zastępować w pojazdach. Poprawa wydajności i redukcja masy bezpośrednio przekładają się na wydłużenie żywotności akumulatorów pojazdów elektrycznych. Produkty małej i średniej mocy to rozwinięcie tranzystorów Si MOSFET do tranzystorów GaN HEMT, a głównymi zastosowaniami są zasilacze centrów danych i ładowarki.

Energia zużywana przez centrum danych stanowi około 10% całkowitej energii wytwarzanej. Zasilacz zaprojektowany z materiału półprzewodnikowego trzeciej generacji GaN może zwiększyć wydajność o 3 do 5 punktów, oszczędzając w ten sposób od 3 do 5 tysięcznych zużycia energii elektrycznej w kraju. . Ma to bardzo ważne implikacje dla neutralności węglowej. Jeśli chodzi o adaptery do ładowania, zastosowanie azotku galu może zmniejszyć objętość o połowę, co w zasadzie stało się sztywnym popytem dla konsumentów. Zwłaszcza po wprowadzeniu PD3.1, w przyszłości wystarczy zabrać ze sobą adapter PD, aby naładować dowolne przenośne urządzenia elektryczne. To będzie rynek wart miliardy dolarów.

Yang Yong wierzy, że dzięki krajowemu tonowi strategicznemu „neutralności emisyjnej” i ciągłemu wsparciu dla półprzewodników trzeciej generacji Chiny z pewnością w przyszłości staną się liderem na światowym rynku konsumenckim materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji SiC. Jednocześnie, w miarę jak krajowy proces SiC dotyczący materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji zaczyna stopniowo dojrzewać i jest w stabilnej produkcji, uważa się, że problem materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji może zostać zasadniczo rozwiązany w najbliższej przyszłości.

Trendu lokalizacji nie da się zatrzymać. Półprzewodnik trzeciej generacji jest głównym produktem wyprzedzania kraju na zakrętach. Wraz z postępem technologii przestrzeń rynkowa będzie bardzo szeroka. „Materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji to nie tylko SiC i GaN, ale także związki takie jak arsenek galu (GaAs) również stanowią ważne elementy w przyszłości i będą miały szerokie zastosowanie w obecnym systemie 5G PA, szerokopasmowym nośniku linii energetycznych i innych dziedzinach .” powiedział Yuan Weiwang.

Wniosek

Kierując się polityką krajową i wsparciem przemysłu półprzewodników, materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji reprezentowane przez GaN i SiC stały się ważnym przedmiotem rozwoju przemysłu półprzewodników. Szczególnie w dziedzinie szybkiego ładowania PD i pojazdów o nowej energii zastosowanie materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji GaN i SiC w znacznym stopniu przyczyniło się do innowacji i iteracji produktów. Biorąc pod uwagę obecny stan krajowej substytucji, w miarę ciągłego rozwoju i innowacji krajowych producentów oraz przełamywania trudności technicznych, pozycja krajowego przemysłu półprzewodników trzeciej generacji zajmie miejsce; Koszt materiałów półprzewodnikowych również spadnie, a materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji, takie jak GaN i SiC, będą widoczne w wielu dziedzinach, takich jak inteligentne sieci i transport kolejowy na potrzeby zasilaczy o większej mocy.

Zastrzeżenie: Ten artykuł jest reprodukcją z „Electronic Intelligent Manufacturing Industry”, artykuł ten przedstawia wyłącznie osobiste poglądy autora, a nie Sacco Micro i poglądy branży, przeznaczony jest wyłącznie do przedrukowania i udostępniania, w celu wsparcia ochrony praw własności intelektualnej, proszę wskazać oryginał źródło i autor. , jeśli doszło do naruszenia, skontaktuj się z nami, aby je usunąć.