Prefácio

Os materiais semicondutores de terceira geração têm desempenho superior e estrutura de banda de energia e são amplamente utilizados na fabricação de dispositivos de radiofrequência, dispositivos optoeletrônicos, dispositivos de energia, etc., e penetraram gradualmente em campos emergentes, como comunicações 5G, carregamento rápido PD e novos veículos energéticos. Importante direção de desenvolvimento da indústria de semicondutores. Porém, é inegável que as dificuldades técnicas dos materiais GaN e SiC ainda existem, o grau de substituição doméstica não é alto e o custo ainda é alto, o que prejudica o processo da indústria de semicondutores de terceira geração na China. Como materiais essenciais para melhorar a eficiência do produto e a densidade de potência, o atual status de desenvolvimento de materiais semicondutores de terceira geração GaN e SiC tem atraído muita atenção.

Dificuldades técnicas e características dos materiais GaN e SiC

Atualmente, os materiais semicondutores de terceira geração GaN e SiC têm sido reconhecidos e altamente preocupados pelo mercado. No campo dos semicondutores de potência, os especialistas da indústria acreditam que, além da emissão de luz LED e da radiofrequência, as dificuldades técnicas do material semicondutor de terceira geração SiC residem principalmente no controle de defeitos do substrato. Atualmente, os materiais de substrato com baixa densidade de defeitos são produzidos principalmente por fabricantes europeus, americanos e japoneses, e levará muito tempo para aparecer na China.

Ao mesmo tempo, o processo SiC de material semicondutor de terceira geração é difícil de controlar e as flutuações do lote do produto levam ao baixo rendimento e ao monopólio do fornecimento do material principal. Deduz-se mesmo que o preço de mercado se manteve elevado, estando atualmente limitado apenas a alguns mercados de aplicações. No entanto, em comparação com uma série de características próprias, como menor perda, maior eficiência, alta tensão e resistência a altas temperaturas do SiC, a aplicação do material semicondutor de terceira geração SiC começou a mudar mais indústrias.

Ao contrário do SiC, o GaN é relativamente complexo. GaN não é um MOSFET no verdadeiro sentido, mas um HEMT (High Electron Mobility Transistor), que possui uma característica de comutação semelhante à de um MOSFET. GaN HEMT é uma estrutura condutora plana que não depende do substrato e pode ser implementada em substratos de safira ou silício, mas é difícil implementar dispositivos normalmente desligados. Zhang Dajiang, Diretor de Marketing da Zhuhai Gallium Future Technology Co., Ltd. ("Gallium Future" para abreviar), acredita que existem duas soluções: uma é adicionar dopagem do tipo P ao portão para bloquear o gás de elétrons bidimensional e realize a função normalmente fechada; Uma é conectar um MOSFET de baixa tensão em série com a fonte e controlar o MOSFET de baixa tensão para fornecer o desligamento de tensão negativa da porta GaN. A vantagem é que o MOSFET possui forte capacidade anti-interferência.

Além disso, as atuais dificuldades técnicas do material semicondutor GaN de terceira geração também vêm de muitos outros aspectos. Em termos de dificuldade do processo, os materiais GaN enfrentam desafios como rendimento, consistência e confiabilidade do dispositivo; para as empresas de GaN, como elas podem melhorar o conteúdo e o processo de teste e selecionar trabalhos para os clientes da maneira mais rápida e precisa? Bom dispositivo; A alta resistência ao calor, a resistência a alta frequência, o baixo Vth e outras características do GaN estão destinadas a ter uma direção de embalagem diferente dos dispositivos tradicionais de silício; ao mesmo tempo, na aplicação, a adição do material semicondutor de terceira geração GaN subverteu a indústria tradicional de fornecimento de energia. A nova indústria de energia tem requisitos mais elevados para chips de controle PWM e fabricantes de transformadores.

O repórter soube que Chengdu Nitrogen Silicon Technology Co., Ltd. (referida como "Tecnologia de Nitrogênio Silício") construiu um conjunto completo de linhas de teste após um longo período de pesquisa e prática, que pode não apenas selecionar os dispositivos normais de trabalho para clientes, mas também pode testar os dispositivos. Classifique, forneça aos clientes produtos econômicos que possam atender aos requisitos e use um grande número de dados de testes práticos para ajudar o desenvolvimento do processo da fundição a fornecer orientações de melhoria. Por outro lado, a Nitrogen Silicon Technology pesquisa vigorosamente tecnologia avançada de embalagem e vedação para melhorar o desempenho e a facilidade de uso dos dispositivos GaN; ao mesmo tempo, contatou grandes fabricantes de transformadores e chips PWM para desenvolver soluções.

Yuan Weiwang, CEO da Xinmin Microelectronics (Shanghai) Co., Ltd. (referida como "Xinmin"), acredita que o GaN é semelhante aos dispositivos de silício, e a resistência interna em alta temperatura mostra um aumento de mais de 2 vezes o coeficiente . Ao contrário dos dispositivos de silício, durante o processo, o estresse elétrico adicional faz com que a resistência de ativação aumente dinamicamente. Portanto, a dificuldade técnica dos dispositivos GaN reside principalmente em como lidar com as diferentes resistências internas causadas pelos diferentes tempos de uso e temperatura ambiente, que são mostradas a seguir:

1: RDson mostra um estado instável à medida que a temperatura aumenta, conforme mostrado na figura a seguir:

Dois: o RDson também mostra um estado instável ao longo do tempo, conforme mostrado na figura a seguir:

Com base nos problemas de dispositivos GaN mencionados acima, a solução é considerar de forma abrangente os fatores de estresse termoelétrico e considerar o uso de 3-3.5 vezes o projeto de margem RDson. Os dispositivos SiC estão basicamente maduros na aplicação dos atuais diodos Schottky. O principal problema é a estabilidade dos MOSFETs SiC, que requer depuração e exploração de processos de longo prazo, e as dificuldades técnicas foram basicamente superadas.

Além do carregamento rápido PD, GaN está atacando fontes de energia de alta potência

Gallium Future é um fabricante líder de dispositivos de energia GaN na China, dedicado à pesquisa e desenvolvimento e produção de produtos GaN com estrutura Cascode. Segundo relatos, a estrutura combina a facilidade de uso dos dispositivos de silício e as características de alta frequência e alta eficiência dos dispositivos GaN para obter soluções de alta densidade de potência de até 10KW. Os produtos são usados ​​​​principalmente para fontes de alimentação de servidores de alta potência, fontes de alimentação de estações base, etc. Recentemente, a Gallium Future lançou dois dispositivos SMD cascode GaN de pequeno porte para aplicações de carregamento rápido, G1N65R240PB e G1N65R480PA, correspondendo a carregamento rápido de 65W e 33W. aplicações respectivamente. Com sua forte capacidade anti-interferência e método de condução simples, ajuda os usuários a obter um design de carregamento rápido GaN simples e eficiente.

Atualmente, a aplicação dos dispositivos de energia GaN da Nitrogen Silicon Technology em áreas de consumo, como fontes de alimentação PD e LED, amadureceu gradualmente. Fabricantes de produtos da linha branca, bem como data centers, energia fotovoltaica e outras indústrias, e até mesmo na área de eletrônica automotiva, têm demonstrado sucessivamente forte interesse em dispositivos de energia GaN da Nitrosil Technology. É relatado que, no futuro, os produtos da Nitrogen Silicon Technology cooperarão com chips de driver GaN autodesenvolvidos para implantar gradualmente um mercado de dispositivos e módulos de energia GaN de maior potência e mais estável.

O repórter aprendeu que o Xinmin GaN power MOS é usado principalmente em carregamento super rápido, fonte de alimentação LED e fonte de alimentação miniaturizada de alta densidade. Entre eles, o carregamento super rápido é o principal mercado do GaN tradicional, enquanto a fonte de alimentação LED, fonte de alimentação miniaturizada de alta densidade, como disjuntores, fonte de alimentação de micro estação base é um campo inovador e também é o principal mercado de layout de Xinmin.

Como principal mercado para o material semicondutor de terceira geração GaN, o carregamento rápido PD amadureceu gradualmente. No futuro, fontes de alimentação de alta potência, como LEDs, estações base e servidores, poderão se tornar mercados de aplicação populares para materiais GaN.

SiC brilhará no mercado de fontes de alimentação automotiva

("Mipson" para abreviar) está comprometida com o desenvolvimento, produção e promoção do material semicondutor de terceira geração SiC desde a sua criação. A combinação dupla oferece aos clientes opções mais estáveis. Atualmente, os produtos SiC da empresa têm sido aplicados de forma madura nas áreas de carregamento rápido PD, fonte de alimentação para iluminação, inversor fotovoltaico e fonte de alimentação para servidores; de acordo com os diferentes mercados correspondentes ao segmento de tensão, aliados à mais recente tecnologia de processo, os principais parâmetros são diferenciados para tornar os produtos mais adequados aos usuários. Projeto. Atualmente, a MPS fornece produtos de resistência interna ultrabaixa SiC MOS em lotes e tem a capacidade de compartilhar o mercado com marcas importadas e continua investindo em pesquisa e desenvolvimento para trazer opções mais econômicas aos clientes por meio de melhoria contínua.

Segundo relatos, a MPS implantou ativamente os mercados de trânsito ferroviário e de fornecimento de energia para veículos na área de materiais semicondutores de terceira geração e chegou a acordos com vários fabricantes de automóveis nacionais líderes, e alguns produtos já iniciaram testes a bordo.

Atualmente, os dispositivos SiC da Xinmin são usados ​​principalmente em inversores, incluindo microinversores e inversores de alta potência. Atualmente, os principais produtos lançados pela Xinmin são diodos SiC Schottky e módulos Schottky. É relatado que o mercado de materiais semicondutores de terceira geração de Xinmin será implantado principalmente em ocasiões de fornecimento de energia de alta eficiência e alta potência, como pilhas de carregamento e fontes de alimentação de servidores.

A partir deste ano, a Tyco Tianrun Semiconductor Technology (Beijing) Co., Ltd. ("Tyco Tianrun") está profundamente envolvida na área de chips SiC há dez anos, e seus produtos têm sido amplamente utilizados em indústrias (como alta - fontes de alimentação LED, fontes de alimentação para PC, fonte de alimentação de comunicação, inversor fotovoltaico e módulo de carregamento da pilha de carregamento, etc.), fonte de alimentação de veículos (como OBC, DCDC, etc.), mercado de consumo (como carregamento rápido PD) .

Qiu Qi, vice-presidente de marketing da Tyco Tianrun, acredita que a direção futura do fornecimento de energia é a miniaturização, a leveza e a alta densidade de potência, e que campos emergentes como veículos elétricos devem ser um dos principais campos de aplicação de dispositivos de carboneto de silício. Isso porque, se o controle eletrônico do motor de um veículo elétrico adotar uma solução totalmente em carboneto de silício, serão consumidos, em média, seis wafers de carboneto de silício de seis polegadas. O mesmo ocorre com veículos de novas energias.

Veículos de nova energia requerem um grande número de componentes eletrônicos e elétricos automotivos. Esses dispositivos desempenham um papel muito importante no valor geral, tamanho, volume, desempenho dinâmico, capacidade de sobrecarga, durabilidade e confiabilidade de toda a máquina. Como o dispositivo de energia dominante, o IGBT à base de silício é usado no controlador do motor de veículos de nova energia, e o motor e seu controlador representam cerca de 7% a 10% do custo de todo o veículo, que é o segundo componente de maior custo depois da bateria. O dispositivo-chave que determina a eficiência energética de todo o veículo. Ao mesmo tempo, para alcançar maior densidade de potência e alta confiabilidade, os dispositivos de energia de carregamento rápido precisam ter um desempenho mais forte, e uma nova geração de dispositivos de energia automotiva baseados no material semicondutor de terceira geração SiC também se destacará.

O processo de substituição interna continuará e o custo diminuirá gradativamente

Desde a onda de falta de estoque em 2018, os grandes fabricantes estrangeiros se concentraram em fornecer clientes estrangeiros em uníssono, até o impacto da epidemia em 2020, as bases de produção dos fabricantes estrangeiros no Sudeste Asiático foram severamente afetadas pelas reduções de produção e nacionais os fabricantes da marca assumiram repetidamente a pesada responsabilidade da entrega. Além disso, o desenvolvimento vigoroso de semicondutores de terceira geração foi elevado a uma estratégia nacional. Combinado com o enorme mercado de procura interna, existe um espaço sem precedentes para localização e substituição, e também deu a toda a cadeia nacional da indústria de semicondutores de terceira geração uma oportunidade de iterar.

Este ano, graças ao apoio do Estado e aos esforços incessantes da indústria nacional de semicondutores, os semicondutores nacionais de terceira geração estão crescendo a uma velocidade incrível. Em termos de semicondutores de terceira geração, a diferença entre os semicondutores nacionais e estrangeiros não é tão óbvia quanto a dos semicondutores de primeira e segunda geração. No que diz respeito aos diodos de SiC, os produtos nacionais foram basicamente localizados e entraram nos campos industrial e automotivo; em termos de Mosfet de SiC, ainda existem algumas lacunas no país e no exterior; em termos de GaN, a escala do mercado de equipamentos de RF GaN do meu país continua a crescer. Os principais pilares e motores de crescimento são a infraestrutura de comunicação sem fio, etc. Em termos de GaN à base de silício, ele agora é usado principalmente em produtos de carregamento rápido PD de celulares, como os produtos de consumo são muito sensíveis ao custo e o limite técnico do próprio produto é inferior ao da classe industrial e da classe de veículos, a diferença entre nacionais e estrangeiros não será mais óbvia no futuro próximo.

Yuan Weiwang prevê que nos próximos anos o SiC Schottky estará totalmente localizado. Atualmente, o SiC MOS ainda é baseado principalmente em ROHM no Japão, Cree nos Estados Unidos e STMicroelectronics e Infineon na Europa. A localização do MOS ainda requer um maior aperfeiçoamento dos processos técnicos, mas a tendência a longo prazo ainda é a localização.

Atualmente, a direção de desenvolvimento dos dispositivos semicondutores de terceira geração é clara e as fábricas nacionais originais ocupam o momento e o lugar certos. Para o ambiente SiC de material semicondutor doméstico de terceira geração, nos últimos dois anos, sob a pressão da guerra comercial sino-americana, epidemias estrangeiras e o fechamento de fábricas de embalagens no Sudeste Asiático, fabricantes estrangeiros que esperaram e - ver atitude em relação aos fabricantes nacionais nos primeiros anos abriram gradualmente os braços. Os clientes também têm uma atitude aberta para se comunicar com os fabricantes nacionais originais. Por outro lado, existe um vínculo profundo entre alguns amigos estrangeiros e os fabricantes de automóveis europeus e americanos, e a capacidade de fornecimento a outros clientes diminuiu. Devido à oferta insuficiente, os clientes nacionais de referência considerarão semicondutores nacionais, incluindo SiC doméstico.

Qiu Qi acredita que, de 4 para 6 polegadas de materiais de carboneto de silício e até 8 polegadas no futuro, o custo do material semicondutor de terceira geração SiC cairá, o que afundará o mercado segmentado de silício.

Yang Yong, gerente de produto da Mipson, disse que, no futuro, a diferença entre os materiais semicondutores de terceira geração e os produtos de fabricantes estrangeiros se tornará cada vez menor, até que se alcancem ou mesmo superem, e o preço certamente se aproximará e mais próximo da atmosfera. Ke Wei, gerente de mercado da Nitrogen Silicon Technology, acredita que dentro de 3-5 anos, o custo dos dispositivos domésticos de energia GaN inevitavelmente se aproximará do preço do MOS tradicional baseado em silício e se tornará o novo queridinho do mercado.

O processo de substituição nacional de materiais semicondutores de terceira geração ainda tem um longo caminho a percorrer. Yuan Weiwang acredita que nos atuais semicondutores de terceira geração, os dispositivos GaN ainda são dominados por Navitas, PI e gansystem no Canadá. Os setores industrial e automotivo ainda têm um longo caminho a percorrer.

Nova direção para o desenvolvimento de materiais semicondutores de terceira geração

Como todos sabemos, o objetivo do uso de materiais semicondutores de terceira geração é melhorar a eficiência do produto e a densidade de potência. Produtos de alta potência são desenvolvidos principalmente a partir de IGBTs de Si para MOSFETs de SiC. Atualmente, eles começaram a ser totalmente substituídos em aplicações veiculares. A melhoria da eficiência e a redução do peso melhoram diretamente a vida útil da bateria de veículos elétricos. Os produtos de pequena e média potência incluem o desenvolvimento de MOSFETs de Si para HEMTs de GaN, e as principais aplicações são fontes de alimentação de data centers e adaptadores de carregamento.

A energia consumida pelo data center representa cerca de 10% da geração total de energia. A fonte de alimentação projetada com material semicondutor de terceira geração GaN pode aumentar a eficiência em 3 a 5 pontos, economizando assim de 3 a 5 milésimos do consumo de eletricidade do país. . Isto tem implicações muito importantes para a neutralidade carbónica. Em termos de adaptadores de carregamento, o uso de nitreto de gálio pode reduzir o volume pela metade e basicamente se tornou uma demanda rígida dos consumidores. Especialmente com a introdução do PD3.1, no futuro, você só precisará trazer um adaptador PD para carregar qualquer aparelho elétrico portátil. Será um mercado de bilhões de dólares.

Yang Yong acredita que com o tom estratégico nacional de "neutralidade de carbono" e o apoio contínuo aos semicondutores de terceira geração, a China liderará definitivamente o mercado consumidor global de SiC de materiais semicondutores de terceira geração no futuro. Ao mesmo tempo, à medida que o processo SiC de material semicondutor doméstico de terceira geração começa a amadurecer gradualmente e tem estado em produção estável, acredita-se que o problema dos materiais semicondutores de terceira geração pode ser fundamentalmente resolvido em um futuro próximo.

A tendência de localização é imparável. O semicondutor de terceira geração é o principal produto das ultrapassagens do país nas curvas. Com o avanço da tecnologia, haverá um espaço de mercado muito amplo. "Os materiais semicondutores de terceira geração não são apenas SiC e GaN, mas também compostos como o arsenieto de gálio (GaAs) também são forças importantes no futuro e terão amplas aplicações no atual 5G PA, portadora de banda larga de linha de energia e outros campos ." Yuan Weiwang disse.

Conclusão

Impulsionados pelas políticas nacionais e pelo apoio da indústria de semicondutores, os materiais semicondutores de terceira geração representados por GaN e SiC tornaram-se um foco importante do desenvolvimento da indústria de semicondutores. Especialmente no campo de carregamento rápido PD e veículos de novas energias, o uso de materiais semicondutores de terceira geração GaN e SiC promoveu enormemente a inovação e iteração de produtos. Tendo em conta o actual estado de substituição nacional, à medida que os fabricantes nacionais continuam a desenvolver-se e a inovar e a superar as dificuldades técnicas, a posição da indústria nacional de semicondutores de terceira geração ocupará um lugar; O custo dos materiais semicondutores também diminuirá, e os materiais semicondutores de terceira geração, como GaN e SiC, serão vistos em muitos campos, como redes inteligentes e transporte ferroviário para fontes de alimentação de maior potência.

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