Lời tựa

Vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba có hiệu suất và cấu trúc dải năng lượng vượt trội, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất thiết bị tần số vô tuyến, thiết bị quang điện tử, thiết bị điện, v.v. và dần thâm nhập vào các lĩnh vực mới nổi như truyền thông 5G, sạc nhanh PD. và các phương tiện sử dụng năng lượng mới. Hướng phát triển quan trọng của ngành bán dẫn. Tuy nhiên, không thể phủ nhận rằng những khó khăn kỹ thuật của vật liệu GaN và SiC vẫn tồn tại, mức độ thay thế trong nước không cao và giá thành vẫn cao đang cản trở quá trình phát triển của ngành bán dẫn thế hệ thứ ba ở Trung Quốc. Là vật liệu chính để nâng cao hiệu suất sản phẩm và mật độ năng lượng, tình trạng phát triển hiện nay của vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba GaN và SiC đã thu hút nhiều sự chú ý.

Khó khăn kỹ thuật và đặc tính của vật liệu GaN và SiC

Hiện nay, vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba GaN và SiC đã được thị trường ghi nhận và quan tâm cao. Trong lĩnh vực bán dẫn điện, những người trong ngành tin rằng, ngoài khả năng phát sáng LED và tần số vô tuyến, những khó khăn kỹ thuật của vật liệu bán dẫn SiC thế hệ thứ ba chủ yếu nằm ở việc kiểm soát các khuyết tật của chất nền. Hiện nay, vật liệu nền có mật độ khuyết tật thấp chủ yếu được sản xuất bởi các nhà sản xuất châu Âu, Mỹ và Nhật Bản và sẽ phải mất một thời gian dài mới có thể đột phá ở Trung Quốc.

Đồng thời, quy trình SiC vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba khó kiểm soát và sự biến động của lô sản phẩm dẫn đến năng suất thấp và độc quyền cung cấp nguyên liệu chính. Thậm chí người ta còn suy luận rằng giá thị trường vẫn ở mức cao và hiện chỉ giới hạn ở một số thị trường ứng dụng. Tuy nhiên, so với hàng loạt đặc tính riêng của nó như tổn thất thấp hơn, hiệu suất cao hơn, khả năng chịu điện áp cao và nhiệt độ cao của SiC, việc ứng dụng vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba SiC đã bắt đầu thay đổi nhiều ngành công nghiệp hơn.

Không giống như SiC, GaN tương đối phức tạp. GaN không phải là MOSFET theo đúng nghĩa mà là HEMT (Transistor có độ linh động điện tử cao), có đặc tính chuyển mạch tương tự như đặc tính của MOSFET. GaN HEMT là cấu trúc dẫn điện phẳng không phụ thuộc vào chất nền và có thể được triển khai trên nền sapphire hoặc silicon, nhưng rất khó triển khai các thiết bị thường tắt. Zhang Dajiang, Giám đốc Tiếp thị của Zhuhai Gallium Future Technology Co., Ltd. (gọi tắt là Gallium Future), tin rằng có hai giải pháp: một là thêm pha tạp loại P vào cổng để chặn khí điện tử hai chiều và nhận ra chức năng thường đóng; Một là kết nối MOSFET điện áp thấp nối tiếp với nguồn và điều khiển MOSFET điện áp thấp để tắt điện áp âm của cổng GaN. Ưu điểm là MOSFET có khả năng chống nhiễu mạnh.

Ngoài ra, những khó khăn kỹ thuật hiện nay của vật liệu bán dẫn GaN thế hệ thứ ba còn đến từ nhiều khía cạnh khác. Về độ khó của quy trình, vật liệu GaN phải đối mặt với những thách thức như hiệu suất thiết bị, tính nhất quán và độ tin cậy; Đối với các công ty GaN, làm thế nào họ có thể cải thiện nội dung thử nghiệm và xử lý, sàng lọc công việc cho khách hàng một cách nhanh nhất và chính xác nhất? Thiết bị tốt; Khả năng chịu nhiệt cao, khả năng kháng tần số cao, Vth thấp và các đặc tính khác của GaN được cho là có hướng đóng gói khác với các thiết bị silicon truyền thống; đồng thời, trong ứng dụng, việc bổ sung vật liệu bán dẫn GaN thế hệ thứ ba đã lật đổ ngành cung cấp điện truyền thống. Ngành công nghiệp điện mới có yêu cầu cao hơn đối với các nhà sản xuất chip điều khiển xung và máy biến áp.

Phóng viên được biết rằng Công ty TNHH Công nghệ Silicon Nitơ Thành Đô (gọi tắt là "Công nghệ Silicon Nitơ") đã xây dựng một bộ dây chuyền thử nghiệm hoàn chỉnh sau một thời gian dài nghiên cứu và thực hành, không chỉ có thể chọn các thiết bị làm việc bình thường cho khách hàng, nhưng cũng có thể kiểm tra các thiết bị. Phân loại, cung cấp cho khách hàng các sản phẩm tiết kiệm chi phí có thể đáp ứng yêu cầu và sử dụng một số lượng lớn dữ liệu thử nghiệm thực tế để giúp quá trình phát triển quy trình của xưởng đúc đưa ra hướng cải tiến. Mặt khác, Công nghệ Nitrogen Silicon nghiên cứu mạnh mẽ công nghệ đóng gói và niêm phong tiên tiến để nâng cao hiệu suất và tính dễ sử dụng của các thiết bị GaN; đồng thời, liên hệ với các nhà sản xuất máy biến áp và chip điều khiển xung điện lớn để phát triển giải pháp.

Yuan Weiwang, Giám đốc điều hành của Công ty TNHH Vi điện tử Xinmin (Thượng Hải) (gọi tắt là "Xinmin"), tin rằng GaN tương tự như các thiết bị silicon và điện trở trong ở nhiệt độ cao cho thấy hệ số tăng hơn 2 lần . Không giống như các thiết bị silicon, công tắc Trong quá trình này, ứng suất điện bổ sung làm cho điện trở bật tăng lên một cách linh hoạt. Do đó, khó khăn kỹ thuật của thiết bị GaN chủ yếu nằm ở cách xử lý các điện trở bên trong khác nhau do thời gian sử dụng và nhiệt độ môi trường khác nhau gây ra, được thể hiện như sau:

1: RDson thể hiện trạng thái không ổn định khi nhiệt độ tăng, như thể hiện trong hình sau:

Hai: RDson cũng thể hiện trạng thái không ổn định theo thời gian, như thể hiện trong hình sau:

Dựa trên những vấn đề nêu trên của thiết bị GaN, giải pháp là phải xem xét toàn diện các yếu tố gây ứng suất nhiệt điện, cân nhắc sử dụng gấp 3-3.5 lần biên RDson thiết kế. Các thiết bị SiC về cơ bản đã trưởng thành trong việc ứng dụng điốt Schottky hiện nay. Vấn đề chính là tính ổn định của SiC MOSFET, đòi hỏi quá trình gỡ lỗi và thăm dò lâu dài và những khó khăn kỹ thuật về cơ bản đã được khắc phục.

Ngoài sạc nhanh PD, GaN đang tấn công các nguồn năng lượng cao

Gallium Future là nhà sản xuất thiết bị điện GaN hàng đầu tại Trung Quốc, chuyên về R&D và sản xuất các sản phẩm GaN cấu trúc Cascode. Theo báo cáo, cấu trúc này kết hợp tính dễ sử dụng của các thiết bị silicon với đặc tính tần số cao và hiệu suất cao của thiết bị GaN để đạt được các giải pháp năng lượng mật độ năng lượng cao lên đến 10KW. Các sản phẩm chủ yếu được sử dụng làm bộ nguồn máy chủ công suất cao, bộ nguồn trạm gốc, v.v. Mới đây, Gallium Future đã cho ra mắt hai thiết bị GaN cascode SMD cỡ nhỏ dành cho các ứng dụng sạc nhanh là G1N65R240PB và G1N65R480PA, tương ứng với sạc nhanh 65W và 33W ứng dụng tương ứng. Với khả năng chống nhiễu mạnh mẽ và phương pháp lái đơn giản, nó giúp người dùng đạt được thiết kế sạc nhanh GaN đơn giản và hiệu quả.

Hiện tại, việc ứng dụng các thiết bị nguồn GaN của Nitrogen Silicon Technology trong các lĩnh vực tiêu dùng như bộ nguồn PD và LED đã dần hoàn thiện. Các nhà sản xuất hàng điện tử cũng như trung tâm dữ liệu, quang điện và các ngành công nghiệp khác, thậm chí cả lĩnh vực điện tử ô tô đã liên tiếp thể hiện sự quan tâm mạnh mẽ đến các thiết bị điện GaN của Nitrosil Technology. Được biết, trong tương lai, các sản phẩm Công nghệ Nitơ Silicon sẽ hợp tác với các chip điều khiển GaN tự phát triển để dần dần triển khai thị trường mô-đun và thiết bị điện GaN có công suất cao hơn và ổn định hơn.

Phóng viên được biết rằng Xinmin GaN power MOS chủ yếu được sử dụng trong sạc siêu nhanh, nguồn điện LED và nguồn điện mật độ cao thu nhỏ. Trong số đó, sạc siêu nhanh là thị trường chính của GaN truyền thống, trong khi nguồn điện LED, nguồn điện mật độ cao thu nhỏ, chẳng hạn như bộ ngắt mạch, nguồn điện trạm gốc vi mô là một lĩnh vực đổi mới và cũng là thị trường bố trí chính của Xinmin.

Là thị trường chính của vật liệu bán dẫn GaN thế hệ thứ ba, sạc nhanh PD đã dần trưởng thành. Trong tương lai, các nguồn cung cấp năng lượng cao như đèn LED, trạm gốc và máy chủ có thể trở thành thị trường ứng dụng phổ biến cho vật liệu GaN.

SiC sẽ tỏa sáng trên thị trường cung cấp điện ô tô

Công ty TNHH Bán dẫn Mipson Thâm Quyến ("Mipson") đã cam kết phát triển, sản xuất và quảng bá vật liệu bán dẫn SiC thế hệ thứ ba kể từ khi thành lập. Sự kết hợp kép mang đến cho khách hàng những lựa chọn ổn định hơn. Hiện tại, các sản phẩm SiC của công ty đã được ứng dụng hoàn thiện trong các lĩnh vực sạc nhanh PD, cung cấp năng lượng chiếu sáng, biến tần quang điện và cung cấp điện cho máy chủ; theo các thị trường khác nhau tương ứng với phân khúc điện áp, kết hợp với công nghệ xử lý mới nhất, các thông số chính được phân biệt rõ ràng để sản phẩm phù hợp hơn với người dùng. Thiết kế. Hiện tại, MPS đã cung cấp hàng loạt sản phẩm có điện trở trong cực thấp SiC MOS, đồng thời có khả năng chia sẻ thị trường với các thương hiệu nhập khẩu, đồng thời tiếp tục đầu tư vào nghiên cứu và phát triển để mang đến cho khách hàng nhiều lựa chọn tiết kiệm chi phí hơn thông qua cải tiến liên tục.

Theo báo cáo, MPS đã tích cực triển khai thị trường cung cấp năng lượng cho phương tiện và vận chuyển đường sắt trong lĩnh vực vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba, đồng thời đã đạt được thỏa thuận với một số nhà sản xuất ô tô hàng đầu trong nước và một số sản phẩm đã bắt đầu thử nghiệm trên tàu.

Hiện tại, các thiết bị SiC của Xinmin chủ yếu được sử dụng trong các bộ biến tần, bao gồm bộ biến tần siêu nhỏ và bộ biến tần công suất cao. Hiện tại, sản phẩm chính được Xinmin tung ra là điốt SiC Schottky và mô-đun Schottky. Được biết, thị trường vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba của Xinmin sẽ chủ yếu được triển khai trong các lĩnh vực cung cấp năng lượng hiệu quả và năng lượng cao như cọc sạc và nguồn điện máy chủ.

Tính đến năm nay, Công ty TNHH Công nghệ bán dẫn Tyco Tianrun (Bắc Kinh) ("Tyco Tianrun") đã tham gia sâu vào lĩnh vực chip SiC trong mười năm và các sản phẩm của công ty đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp (chẳng hạn như cao cấp). -nguồn điện LED, nguồn điện PC, nguồn điện truyền thông, biến tần quang điện và mô-đun sạc của cọc sạc, v.v.), nguồn điện cho xe (như OBC, DCDC, v.v.), thị trường tiêu dùng (chẳng hạn như sạc nhanh PD) .

Qiu Qi, phó chủ tịch tiếp thị của Tyco Tianrun, tin rằng hướng cung cấp năng lượng trong tương lai là thu nhỏ, trọng lượng nhẹ và mật độ năng lượng cao, và các lĩnh vực mới nổi như xe điện phải là một trong những lĩnh vực ứng dụng chính của thiết bị cacbua silic. Bởi vì nếu bộ điều khiển điện tử động cơ xe điện áp dụng giải pháp cacbua silic hoàn chỉnh thì trung bình sáu tấm wafer sáu inch cacbua silic sẽ được tiêu thụ. Năng lượng cũng có trong các phương tiện sử dụng năng lượng mới.

Xe năng lượng mới cần một số lượng lớn linh kiện điện tử và điện tử ô tô. Những thiết bị này đóng vai trò rất quan trọng đối với giá trị tổng thể, kích thước, khối lượng, hiệu suất động, khả năng quá tải, độ bền và độ tin cậy của toàn bộ máy. Là thiết bị điện chủ đạo, IGBT dựa trên silicon được sử dụng trong bộ điều khiển động cơ của xe năng lượng mới, và động cơ cùng bộ điều khiển của nó chiếm khoảng 7%-10% chi phí của toàn bộ xe, là thành phần có chi phí cao thứ hai sau pin. Thiết bị chính quyết định hiệu suất năng lượng của toàn bộ xe. Đồng thời, để đạt được mật độ công suất cao hơn và độ tin cậy cao, các thiết bị điện sạc nhanh cần có hiệu suất mạnh hơn và thế hệ thiết bị điện ô tô mới dựa trên vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba SiC cũng sẽ tỏa sáng.

Quá trình thay thế trong nước sẽ tiếp tục và chi phí sẽ giảm dần

Từ làn sóng hết hàng năm 2018, các nhà sản xuất lớn nước ngoài tập trung cung ứng đồng loạt cho khách hàng nước ngoài, đến ảnh hưởng của dịch bệnh năm 2020, cơ sở sản xuất của các nhà sản xuất nước ngoài ở Đông Nam Á bị ảnh hưởng nặng nề do cắt giảm sản xuất, và trong nước các nhà sản xuất thương hiệu đã nhiều lần đảm nhận trách nhiệm giao hàng nặng nề. Ngoài ra, việc phát triển mạnh mẽ chất bán dẫn thế hệ thứ ba đã được nâng cấp thành chiến lược quốc gia. Kết hợp với thị trường nhu cầu nội địa khổng lồ, có không gian nội địa hóa và thay thế chưa từng có, đồng thời cũng tạo cơ hội cho toàn bộ chuỗi công nghiệp bán dẫn thế hệ thứ ba trong nước được lặp lại.

Năm nay, nhờ sự hỗ trợ của nhà nước và những nỗ lực không ngừng của ngành công nghiệp bán dẫn trong nước, các chất bán dẫn trong nước thế hệ thứ ba đang phát triển với tốc độ đáng kinh ngạc. Về chất bán dẫn thế hệ thứ ba, khoảng cách giữa chất bán dẫn trong nước và nước ngoài không rõ ràng như giữa chất bán dẫn thế hệ thứ nhất và thứ hai. Đối với điốt SiC, các sản phẩm trong nước về cơ bản đã được nội địa hóa và đã thâm nhập vào lĩnh vực công nghiệp và ô tô; về Mosfet SiC, vẫn còn một số khoảng cách trong và ngoài nước; về GaN, quy mô thị trường thiết bị RF GaN của nước tôi đang tiếp tục tăng trưởng. Các trụ cột chính và động lực tăng trưởng chính là cơ sở hạ tầng truyền thông không dây, v.v. Về GaN dựa trên silicon, hiện nay chủ yếu được sử dụng trong các sản phẩm sạc nhanh PD cho điện thoại di động, vì các sản phẩm tiêu dùng rất nhạy cảm với chi phí và ngưỡng kỹ thuật của bản thân sản phẩm thấp hơn so với loại công nghiệp và loại xe, khoảng cách giữa trong nước và nước ngoài sẽ không còn rõ ràng nữa trong tương lai gần.

Yuan Weiwang dự đoán rằng trong vài năm tới, SiC Schottky sẽ được bản địa hóa hoàn toàn. Hiện tại, SiC MOS vẫn chủ yếu dựa trên ROHM ở Nhật Bản, cree ở Hoa Kỳ và STMicroelectronics và Infineon ở Châu Âu. Việc nội địa hóa MOS vẫn đòi hỏi phải hoàn thiện hơn nữa các quy trình kỹ thuật, nhưng xu hướng dài hạn vẫn là nội địa hóa.

Hiện tại, hướng phát triển của các thiết bị bán dẫn thế hệ thứ ba đã rõ ràng và các nhà máy nguyên bản trong nước đã chiếm đúng thời gian và địa điểm. Đối với môi trường SiC vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba trong nước, trong hai năm qua, dưới áp lực của cuộc chiến thương mại Trung-Mỹ, dịch bệnh nước ngoài và việc các nhà máy đóng gói ở Đông Nam Á đóng cửa, các nhà sản xuất nước ngoài đã phải chờ đợi. thấy thái độ đối với các nhà sản xuất trong nước trong những năm đầu dần dần mở rộng vòng tay. Khách hàng cũng có thái độ cởi mở khi giao tiếp với các nhà sản xuất chính hãng trong nước. Mặt khác, giữa một số người bạn nước ngoài và các nhà sản xuất ô tô châu Âu và Mỹ có mối liên kết sâu sắc, khả năng cung cấp cho các khách hàng khác đã giảm sút. Do nguồn cung không đủ, khách hàng tiêu chuẩn trong nước sẽ xem xét các chất bán dẫn trong nước bao gồm cả SiC trong nước.

Qiu Qi tin rằng, từ 4 inch đến 6 inch vật liệu cacbua silic và thậm chí 8 inch trong tương lai, giá thành của vật liệu bán dẫn SiC thế hệ thứ ba sẽ giảm, điều này sẽ nhấn chìm thị trường silicon đang phân khúc.

Yang Yong, giám đốc sản phẩm của Mipson, cho biết trong tương lai, khoảng cách giữa vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba và sản phẩm của các nhà sản xuất nước ngoài sẽ ngày càng nhỏ hơn, cho đến khi họ bắt kịp hoặc thậm chí vượt qua, và giá chắc chắn sẽ ngày càng gần hơn. và gần gũi hơn với bầu khí quyển. Ke Wei, giám đốc thị trường của Nitrogen Silicon Technology, tin rằng trong vòng 3-5 năm tới, giá thành của các thiết bị nguồn GaN trong nước chắc chắn sẽ ngang bằng với giá của MOS dựa trên silicon truyền thống và trở thành con cưng mới của thị trường.

Quá trình thay thế vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba trong nước vẫn còn một chặng đường dài. Yuan Weiwang tin rằng trong chất bán dẫn thế hệ thứ ba hiện nay, các thiết bị GaN vẫn do Navitas, PI và gansystem ở Canada thống trị. Lĩnh vực công nghiệp và ô tô vẫn còn một chặng đường dài phía trước.

Hướng đi mới cho việc phát triển vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba

Như chúng ta đã biết, mục đích của việc sử dụng vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba là cải thiện hiệu suất sản phẩm và mật độ công suất. Các sản phẩm công suất cao chủ yếu được phát triển từ Si IGBT đến SiC MOSFET. Hiện nay, chúng đã bắt đầu được thay thế hoàn toàn trong các ứng dụng xe cộ. Việc cải thiện hiệu suất và giảm trọng lượng trực tiếp cải thiện tuổi thọ pin của xe điện. Các sản phẩm công suất vừa và nhỏ bao gồm việc phát triển từ Si MOSFET đến GaN HEMT, và các ứng dụng chính là bộ nguồn trung tâm dữ liệu và bộ chuyển đổi sạc.

Năng lượng tiêu thụ của trung tâm dữ liệu chiếm khoảng 10% tổng sản lượng điện phát ra. Bộ nguồn được thiết kế bằng vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba GaN có thể tăng hiệu suất lên từ 3 đến 5 điểm, qua đó tiết kiệm được 3 đến 5 phần nghìn lượng điện tiêu thụ của cả nước. . Điều này có ý nghĩa rất quan trọng đối với tính trung hòa carbon. Về bộ điều hợp sạc, việc sử dụng gallium nitride có thể giảm âm lượng xuống một nửa và về cơ bản nó đã trở thành một nhu cầu khắt khe đối với người tiêu dùng. Đặc biệt với sự ra đời của PD3.1, trong tương lai, bạn chỉ cần mang theo bộ chuyển đổi PD để sạc bất kỳ thiết bị điện cầm tay nào. Đây sẽ là một thị trường tỷ đô.

Yang Yong tin rằng với quan điểm chiến lược "trung hòa carbon" quốc gia và sự hỗ trợ liên tục cho chất bán dẫn thế hệ thứ ba, Trung Quốc chắc chắn sẽ dẫn đầu thị trường tiêu dùng vật liệu bán dẫn SiC thế hệ thứ ba toàn cầu trong tương lai. Đồng thời, khi quy trình SiC vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba trong nước bắt đầu trưởng thành dần dần và được sản xuất ổn định, người ta tin rằng vấn đề về vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba có thể được giải quyết cơ bản trong tương lai gần.

Xu hướng nội địa hóa là không thể ngăn cản. Chất bán dẫn thế hệ thứ ba là sản phẩm chính của sự vượt trội của đất nước ở các góc cạnh. Với sự tiến bộ của công nghệ, sẽ có một không gian thị trường rất rộng lớn. "Vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba không chỉ có SiC và GaN, mà cả các hợp chất như gallium arsenide (GaAs) cũng là những nguồn lực quan trọng trong tương lai và sẽ có ứng dụng rộng rãi trong 5G PA hiện tại, sóng mang băng thông rộng đường dây điện và các lĩnh vực khác. ." Viên Duy Vương nói.

Kết luận

Được thúc đẩy bởi các chính sách quốc gia và sự hỗ trợ của ngành bán dẫn, vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba do GaN và SiC đại diện đã trở thành trọng tâm phát triển của ngành bán dẫn. Đặc biệt trong lĩnh vực sạc nhanh PD và phương tiện năng lượng mới, việc sử dụng vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba GaN và SiC đã thúc đẩy đáng kể sự đổi mới và lặp lại sản phẩm. Trước thực trạng thay thế trong nước hiện nay, khi các nhà sản xuất trong nước tiếp tục phát triển, đổi mới và vượt qua khó khăn kỹ thuật, vị thế của ngành bán dẫn thế hệ thứ ba trong nước sẽ chiếm một vị trí; Giá thành của vật liệu bán dẫn cũng sẽ giảm và vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba như GaN và SiC sẽ được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như lưới điện thông minh và vận tải đường sắt để cung cấp năng lượng cao hơn.

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được sao chép từ "Ngành sản xuất điện tử thông minh", bài viết này chỉ thể hiện quan điểm cá nhân của tác giả, không phải quan điểm của Sacco Micro và ngành, chỉ mang tính chất tái bản và chia sẻ, nhằm hỗ trợ việc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ, vui lòng ghi rõ bản gốc nguồn và tác giả. , nếu có vi phạm vui lòng liên hệ chúng tôi để xóa.