предисловие

Полупроводниковые материалы третьего поколения обладают превосходными характеристиками и структурой энергетических зон, широко используются в производстве радиочастотных устройств, оптоэлектронных устройств, силовых устройств и т. д. и постепенно проникают в новые области, такие как связь 5G, быстрая зарядка PD. и новые энергетические транспортные средства. Важное направление развития полупроводниковой промышленности. Однако нельзя отрицать, что технические трудности с материалами GaN и SiC все еще существуют, степень внутреннего замещения невысока, а стоимость все еще высока, что затрудняет процесс развития полупроводниковой промышленности третьего поколения в Китае. Текущее состояние разработки полупроводниковых материалов третьего поколения GaN и SiC, являющихся ключевыми материалами для повышения эффективности продукции и удельной мощности, привлекло большое внимание.

Технические трудности и характеристики материалов GaN и SiC

В настоящее время полупроводниковые материалы третьего поколения GaN и SiC получили признание и вызывают большой интерес на рынке. В области силовых полупроводников инсайдеры отрасли полагают, что, помимо светодиодного светоизлучения и радиочастот, технические трудности полупроводникового материала третьего поколения SiC в основном заключаются в контроле дефектов подложки. В настоящее время материалы подложек с низкой плотностью дефектов производятся в основном европейскими, американскими и японскими производителями, и для их внедрения в Китае потребуется длительный период времени.

В то же время процесс производства полупроводникового материала SiC третьего поколения трудно контролировать, а колебания партий продукции приводят к низкой производительности и монополии на поставку основного материала. Предполагается даже, что рыночная цена остается высокой и в настоящее время ограничена только некоторыми рынками приложений. Однако по сравнению с рядом его собственных характеристик, таких как меньшие потери, более высокий КПД, высокое напряжение и высокая термостойкость SiC, применение полупроводникового материала третьего поколения SiC начало менять больше отраслей.

В отличие от SiC, GaN относительно сложен. GaN — это не МОП-транзистор в истинном смысле этого слова, а HEMT (транзистор с высокой подвижностью электронов), который имеет характеристики переключения, аналогичные характеристикам МОП-транзистора. GaN HEMT представляет собой плоскую проводящую структуру, которая не зависит от подложки и может быть реализована как на сапфировых, так и на кремниевых подложках, но реализовать нормально выключенные устройства сложно. Чжан Дацзян, директор по маркетингу Zhuhai Gallium Future Technology Co., Ltd. (сокращенно «Gallium Future»), считает, что есть два решения: одно — добавить легирование P-типа к затвору, чтобы заблокировать двумерный электронный газ. и реализовать нормально закрытую функцию; Один из них — подключить низковольтный МОП-транзистор последовательно с истоком и управлять низковольтным МОП-транзистором, чтобы обеспечить отключение отрицательного напряжения на затворе GaN. Преимущество заключается в том, что МОП-транзистор обладает сильной защитой от помех.

Кроме того, текущие технические трудности полупроводникового материала третьего поколения GaN обусловлены и многими другими аспектами. С точки зрения сложности процесса, материалы GaN сталкиваются с такими проблемами, как производительность устройства, стабильность и надежность; Что касается компаний GaN, как они могут улучшить содержание и обработку тестов, а также отбирать вакансии для клиентов наиболее быстрым и точным способом? Хороший аппарат; Высокая термостойкость, устойчивость к высоким частотам, низкий Vth и другие характеристики GaN предназначены для упаковки, отличной от традиционных кремниевых устройств; в то же время в применении добавление полупроводникового материала GaN третьего поколения подорвало традиционную отрасль электропитания. Новая энергетическая отрасль предъявляет более высокие требования к микросхемам управления ШИМ и производителям трансформаторов.

Репортер узнал, что компания Chengdu Nitrogen Silicon Technology Co., Ltd. (именуемая «Азотно-кремниевая технология») после длительного периода исследований и практики построила полный набор испытательных линий, которые могут не только выбирать нормальные рабочие устройства для клиенты, но также могут протестировать устройства. Классифицируйте, предоставляйте клиентам экономически эффективные продукты, которые могут соответствовать требованиям, и используйте большое количество данных практических испытаний, чтобы помочь в разработке процессов литейного производства для определения направлений улучшения. С другой стороны, Nitrogen Silicon Technology активно исследует передовые технологии упаковки и запечатывания, чтобы повысить производительность и простоту использования GaN-устройств; в то же время компания связалась с крупными производителями трансформаторов и микросхем ШИМ для разработки решений.

Юань Вэйван, генеральный директор компании Xinmin Microelectronics (Shanghai) Co., Ltd. (именуемой «Xinmin»), считает, что GaN похож на кремниевые устройства, а внутреннее сопротивление при высокой температуре показывает увеличение более чем в 2 раза по сравнению с коэффициентом . В отличие от кремниевых устройств, переключатель. Во время процесса дополнительное электрическое напряжение приводит к динамическому увеличению сопротивления во включенном состоянии. Таким образом, техническая сложность GaN-устройств в основном заключается в том, как справиться с различными внутренними сопротивлениями, вызванными разным временем использования и температурой окружающей среды, которые проявляются следующим образом:

1: RDson показывает нестабильное состояние при повышении температуры, как показано на следующем рисунке:

Второе: RDson также демонстрирует нестабильное состояние с течением времени, как показано на следующем рисунке:

Учитывая вышеупомянутые проблемы GaN-устройств, решение состоит в том, чтобы всесторонне учитывать факторы термоэлектрического напряжения и рассмотреть возможность использования в 3-3.5 раза большего запаса, предусмотренного RDson. Устройства SiC в основном хорошо развиты в применении современных диодов Шоттки. Основной проблемой является стабильность SiC MOSFET, которая требует длительной отладки и исследования процесса, а технические трудности в основном преодолены.

Помимо быстрой зарядки PD, GaN атакует мощные источники питания.

Gallium Future — ведущий производитель силовых устройств на основе GaN в Китае, занимающийся исследованиями, разработками и производством продуктов GaN с каскадной структурой. Согласно сообщениям, структура сочетает в себе простоту использования кремниевых устройств, а также высокочастотные и высокоэффективные характеристики GaN-устройств для достижения решений с высокой удельной мощностью до 10 кВт. Продукты в основном используются для мощных источников питания серверов, источников питания базовых станций и т. д. Недавно Gallium Future выпустила два небольших каскодных устройства SMD GaN для приложений быстрой зарядки: G1N65R240PB и G1N65R480PA, соответствующие быстрой зарядке мощностью 65 Вт и 33 Вт. приложения соответственно. Благодаря сильной защите от помех и простому методу управления он помогает пользователям реализовать простую и эффективную конструкцию быстрой зарядки GaN.

В настоящее время применение GaN-силовых устройств Nitrogen Silicon Technology в потребительских сферах, таких как источники питания PD и светодиодов, постепенно становится более зрелым. Производители бытовой техники, а также центров обработки данных, фотоэлектрической и других отраслей промышленности и даже в области автомобильной электроники последовательно проявляют большой интерес к силовым устройствам GaN от Nitrosil Technology. Сообщается, что в будущем продукты Nitrogen Silicon Technology будут сотрудничать с чипами драйверов GaN собственной разработки, чтобы постепенно вывести на рынок более мощные и стабильные силовые устройства и модули GaN.

Репортер узнал, что силовой MOS Xinmin GaN в основном используется в сверхбыстрой зарядке, источниках питания светодиодов и миниатюрных источниках питания высокой плотности. Среди них сверхбыстрая зарядка является основным рынком традиционного GaN, а источники питания светодиодов, миниатюрные источники питания высокой плотности, такие как автоматические выключатели, источники питания микробазовых станций являются инновационной областью, а также основным рынком компоновки Синьминь.

Являясь основным рынком для полупроводникового материала GaN третьего поколения, технология быстрой зарядки PD постепенно созрела. В будущем мощные источники питания, такие как светодиоды, базовые станции и серверы, могут стать популярными рынками применения материалов GaN.

SiC будет блистать на рынке автомобильных блоков питания

Shenzhen Mipson Semiconductor Co., Ltd. (сокращенно «Mipson») занимается разработкой, производством и продвижением полупроводникового материала SiC третьего поколения с момента своего создания. Двойная комбинация предоставляет клиентам более стабильный выбор. В настоящее время продукты SiC компании широко применяются в области быстрой зарядки PD, источников питания освещения, фотоэлектрических инверторов и источников питания серверов; В соответствии с различными рынками, соответствующими сегменту напряжения, в сочетании с новейшими технологическими процессами дифференцируются ключевые параметры, чтобы сделать продукцию более подходящей для пользователей. Дизайн. В настоящее время MPS поставляет партии SiC MOS-продуктов со сверхнизким внутренним сопротивлением и имеет возможность делить рынок с импортными брендами, а также продолжает инвестировать в исследования и разработки, чтобы предлагать клиентам более экономичные варианты посредством постоянного совершенствования.

По имеющимся данным, MPS активно осваивает рынки железнодорожного транспорта и электропитания транспортных средств в сфере полупроводниковых материалов третьего поколения, достигла договоренностей с рядом ведущих отечественных автопроизводителей, а некоторые продукты уже приступили к бортовым испытаниям.

В настоящее время устройства Xinmin SiC в основном используются в инверторах, включая микроинверторы и инверторы высокой мощности. В настоящее время основной продукцией Xinmin являются SiC-диоды Шоттки и модули Шоттки. Сообщается, что рынок полупроводниковых материалов третьего поколения Xinmin будет в основном использоваться в высокоэффективных и мощных источниках питания, таких как зарядные устройства и источники питания серверов.

По состоянию на этот год компания Tyco Tianrun Semiconductor Technology (Beijing) Co., Ltd. («Tyco Tianrun») уже десять лет активно занимается производством SiC-чипов, и ее продукция широко используется в отраслях промышленности (например, в сфере высоких технологий). -источники питания для светодиодов, источники питания для ПК, источники питания для связи, фотоэлектрические инверторы и зарядные модули зарядной батареи и т. д.), источники питания для транспортных средств (например, OBC, DCDC и т. д.), потребительский рынок (например, быстрая зарядка PD) .

Цю Ци, вице-президент по маркетингу Tyco Tianrun, считает, что будущее направление электропитания — это миниатюризация, малый вес и высокая плотность мощности, а новые области, такие как электромобили, должны стать одной из основных областей применения устройств из карбида кремния. Потому что, если электронное управление двигателем электромобиля будет использовать полный раствор карбида кремния, в среднем будет израсходовано шесть шестидюймовых пластин карбида кремния. Мощность также есть в новых энергетических транспортных средствах.

Транспортные средства на новых источниках энергии требуют большого количества автомобильных электронных и электрических компонентов. Эти устройства играют очень важную роль в общей стоимости, размере, объеме, динамических характеристиках, перегрузочной способности, долговечности и надежности всей машины. В качестве доминирующего силового устройства, кремниевый IGBT используется в контроллере двигателя транспортных средств на новых источниках энергии, а двигатель и его контроллер составляют около 7%-10% от стоимости всего транспортного средства, что является вторым по стоимости компонентом после аккумулятора. Ключевое устройство, определяющее энергоэффективность всего транспортного средства. В то же время, для достижения более высокой плотности мощности и высокой надежности, устройства питания с быстрой зарядкой должны иметь более высокую производительность, и новое поколение автомобильных силовых устройств на основе полупроводникового материала третьего поколения SiC также будет блистать.

Процесс отечественного замещения продолжится, а стоимость будет постепенно снижаться.

От волны дефицита запасов в 2018 году, когда крупные иностранные производители сосредоточили свои усилия на согласованных поставках иностранным клиентам, до воздействия эпидемии в 2020 году, производственные базы иностранных производителей в Юго-Восточной Азии серьезно пострадали от сокращения производства, а внутренние производители брендов неоднократно брали на себя тяжелую ответственность за доставку. Кроме того, активное развитие полупроводников третьего поколения было преобразовано в национальную стратегию. В сочетании с огромным внутренним рынком спроса существует беспрецедентное пространство для локализации и замещения, а также это дает возможность всей отечественной цепочке полупроводниковой промышленности третьего поколения проводить итерации.

В этом году, благодаря государственной поддержке и неустанным усилиям отечественной полупроводниковой промышленности, производство полупроводников третьего поколения развивается невероятно быстрыми темпами. Что касается полупроводников третьего поколения, разрыв между отечественными и зарубежными полупроводниками не так очевиден, как между полупроводниками первого и второго поколений. Что касается SiC-диодов, отечественная продукция в основном локализована и вышла на рынок промышленности и автомобилестроения; что касается SiC-MOSFET, всё ещё существуют некоторые пробелы как в стране, так и за рубежом; что касается GaN, масштабы рынка радиочастотного оборудования на основе GaN в моей стране продолжают расти. Основными столпами и основными драйверами роста являются инфраструктура беспроводной связи и т.д. Что касается кремниевого GaN, то в настоящее время он в основном используется в устройствах для быстрой зарядки мобильных телефонов, поскольку потребительские товары очень чувствительны к стоимости, а технический порог самого продукта ниже, чем у промышленного и транспортного класса, разрыв между отечественными и зарубежными приборами в ближайшем будущем исчезнет.

Юань Вэйван прогнозирует, что в ближайшие несколько лет SiC Шоттки будет полностью локализован. В настоящее время SiC MOS по-прежнему базируется в основном на ROHM в Японии, Cree в США и STMicroelectronics и Infineon в Европе. Локализация MOS по-прежнему требует дальнейшей доводки технических процессов, но долгосрочным трендом остается локализация.

В настоящее время направление развития полупроводниковых приборов третьего поколения ясно, и отечественные оригинальные заводы занимают подходящее время и место. Что касается отечественного полупроводникового материала SiC третьего поколения, в последние два года под давлением китайско-американской торговой войны, зарубежных эпидемий и закрытия упаковочных фабрик в Юго-Восточной Азии иностранные производители, которые заняли выжидательную позицию см. отношение к отечественным производителям в первые годы постепенно раскрывало свои объятия. Клиенты также открыто относятся к общению с отечественными производителями оригинальной продукции. С другой стороны, между некоторыми иностранными друзьями и европейскими и американскими производителями автомобилей существуют глубокие связи, а возможности поставок другим клиентам снизились. Из-за недостаточного предложения отечественные эталонные покупатели будут рассматривать отечественные полупроводники, включая отечественный SiC.

Цю Ци считает, что с 4 дюймов до 6 дюймов карбидокремниевых материалов и даже до 8 дюймов в будущем стоимость полупроводникового материала третьего поколения SiC упадет, что потопит сегментированный рынок кремния.

Ян Юн, менеджер по продукции компании Mipson, заявил, что в будущем разрыв между полупроводниковыми материалами третьего поколения и продукцией зарубежных производителей будет становиться все меньше и меньше, пока они не догонят или даже не превзойдут, а цена обязательно сблизится и ближе к атмосфере. Кэ Вэй, менеджер по рынку Nitrogen Silicon Technology, считает, что в течение 3-5 лет стоимость отечественных силовых GaN-устройств неизбежно приблизится к цене традиционных кремниевых МОП и станет новым фаворитом рынка.

Процессу внутреннего замещения полупроводниковых материалов третьего поколения еще предстоит пройти долгий путь. Юань Вэйван считает, что в нынешних полупроводниках третьего поколения GaN-устройства по-прежнему доминируют Navitas, PI и gansystem в Канаде. Промышленному и автомобильному секторам еще предстоит пройти долгий путь.

Новое направление разработки полупроводниковых материалов третьего поколения

Как всем известно, цель использования полупроводниковых материалов третьего поколения — повышение эффективности и плотности мощности. Высокомощные изделия разрабатываются в основном на основе кремниевых IGBT и SiC MOSFET. В настоящее время они начали полностью заменяться в автомобильной промышленности. Повышение эффективности и снижение веса напрямую увеличивают срок службы аккумуляторов электромобилей. Изделия малой и средней мощности представляют собой усовершенствованный вариант кремниевых MOSFET и GaN HEMT, а их основные области применения — источники питания для центров обработки данных и зарядные устройства.

Энергия, потребляемая дата-центром, составляет около 10% от общего объема выработки электроэнергии. Блок питания, разработанный с использованием полупроводникового материала GaN третьего поколения, может повысить эффективность на 3–5 пунктов, тем самым сэкономив от 3 до 5 тысячных потребления электроэнергии в стране. . Это имеет очень важные последствия для углеродной нейтральности. Что касается зарядных адаптеров, то использование нитрида галлия позволяет уменьшить объем вдвое, и это, по сути, стало жестким требованием потребителей. Особенно с появлением PD3.1 в будущем вам понадобится только адаптер PD для зарядки любых портативных электроприборов. Это будет рынок на миллиард долларов.

Ян Юн считает, что благодаря национальному стратегическому тону «углеродной нейтральности» и постоянной поддержке полупроводников третьего поколения Китай определенно станет лидером на мировом потребительском рынке полупроводниковых материалов SiC третьего поколения в будущем. В то же время, поскольку отечественный процесс полупроводникового материала SiC третьего поколения начинает постепенно развиваться и находится в стабильном производстве, считается, что проблема полупроводниковых материалов третьего поколения может быть фундаментально решена в ближайшем будущем.

Тенденцию локализации невозможно остановить. Полупроводник третьего поколения – основной продукт обгона страны в поворотах. С развитием технологий появится очень широкое рыночное пространство. «Полупроводниковые материалы третьего поколения — это не только SiC и GaN, но и такие соединения, как арсенид галлия (GaAs), которые также станут важными силами в будущем и будут иметь широкое применение в нынешней 5G PA, широкополосной несущей в линиях электропередачи и других областях. ." Сказал Юань Вэйван.

Заключение

Благодаря национальной политике и поддержке полупроводниковой промышленности полупроводниковые материалы третьего поколения, представленные GaN и SiC, стали важным направлением развития полупроводниковой промышленности. Использование полупроводниковых материалов третьего поколения GaN и SiC, особенно в области быстрой зарядки зарядных устройств и новых энергетических транспортных средств, значительно способствовало инновациям и итерациям продуктов. Учитывая текущий статус внутреннего замещения, поскольку отечественные производители продолжают развиваться, внедрять инновации и преодолевать технические трудности, позиция отечественной полупроводниковой промышленности третьего поколения займет свое место; Стоимость полупроводниковых материалов также снизится, а полупроводниковые материалы третьего поколения, такие как GaN и SiC, будут использоваться во многих областях, таких как интеллектуальные сети и железнодорожный транспорт для источников питания большей мощности.

Отказ от ответственности: эта статья воспроизведена из «Индустрии электронного интеллектуального производства», эта статья представляет только личные взгляды автора, а не взгляды Sacco Micro и отрасли, только для перепечатки и распространения, в целях поддержки защиты прав интеллектуальной собственности, укажите оригинал. источник и автор. , если есть какие-либо нарушения, пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы удалить их.