第三代半导体材料GaN和SiC：国产应用新布局

其他|other else|

2022-03-17 09:14:24 0

前言

第三代半导体材料具有优越的性能和能带结构，广泛应用于射频器件、光电器件、功率器件等制造，目前已逐渐渗透5G通信、PD快充和新能源汽车等新兴领域市场，被认为是半导体行业的重要发展方向。但不可否认，目前GaN和SiC材料技术难点问题仍然存在，国产替代程度不高，成本依旧居高不下等情况困扰着国内第三代半导体行业进程。作为提高产品效率和功率密度的重点材料，第三代半导体材料GaN和SiC当前的发展状况备受关注。

2018-2030年全球GaN电力电子器件应用领域的演进 8fc801791fb98f0f62ab8b4193f75f82

SiC应用场景

GaN和SiC材料的技术难点和特点

目前，第三代半导体材料GaN和SiC已经得到了市场认可和高度关注。在功率半导体的范畴，业内人士认为，除了LED发光和射频，第三代半导体材料SiC的技术难点主要在于衬底缺陷的控制。当前低缺陷密度的衬底材料主要是欧美及日本厂商生产，国内想要突破还需要相当长的一段时间。

同时第三代半导体材料SiC工艺控制难度高、产品批次性波动大导致良率偏低以及主要材料供应被垄断，甚至推导到市场价格一直居高不下，目前只限定在部分应用市场。但相比SiC更低损耗、更高效率以及高电压耐高温等一系列自身特点而言，第三代半导体材料SiC的应用已经开始改变更多行业。

与SiC不同，GaN相对比较复杂。GaN并不是真正意义上的MOSFET，而是HEMT(高电子迁移率晶体管)，其开关特性具有MOSFET相近的功能。GaN HEMT是平面导电结构，不依赖于衬底，可以在蓝宝石或者硅衬底上都能实现，但它难以实现常闭型器件。珠海镓未来科技有限公司(简称“镓未来”)市场总监张大江认为，解决方案有两种：一种是在栅极加入P型掺杂，阻断二维电子气，实现常闭功能；另一种是在源极串联低压MOSFET，通过控制低压MOSFET来提供GaN栅极的负压关断，其好处是MOSFET的驱动抗干扰能力强。

除此之外，第三代半导体材料GaN目前的技术难点还来自于其他多方面。工艺的难度上，GaN材料面临器件良率与一致性以及可靠性等问题的挑战;对于氮化镓企业来说，怎么能完善测试内容与流程用最快最准确的方式替客户筛查出工作*的器件；GaN的高耐热，耐高频，低Vth等特性注定了它与传统硅器件不一样的封装方向；同时应用上，第三代半导体材料GaN的加入颠覆了传统的电源行业，新的电源行业对PWM控制芯片、变压器产商等都有了更高的要求。

记者了解到，成都氮矽科技有限公司(简称“氮矽科技”)经过长时间的研究与实践，自建一套完善的测试线，不但能为客户选出工作正常的器件，而且能将器件划分等级，为客户提供能达到要求的高性价比产品，并用大量的实践测试数据帮助代工厂的工艺发展提供改进方向。另一方面，氮矽科技大力研究先进封装与合封技术，增强GaN器件的性能和易用性；同时联系各大变压器与PWM芯片等厂商合作开发方案。

芯珉微电子(上海)有限公司(简称“芯珉”)CEO苑维*认为，GaN与硅器件类似，高温下打通内阻表现出2倍以上系数的增加，与硅器件不同的是，开关过程中，额外的电应力导致导通内阻动态增加。所以GaN器件的技术难点主要在于，如何处理随着使用时间和环境温度的不同而导致的内阻不同，具体表现为：

一：RDson随着温度的上升，呈现不稳定状态，如下图：

二：RDson随着时间的推移，也表现出不稳定状态，如下图：

基于上述GaN器件的问题，其解决方案是：综合考虑热电应力的因素，考虑使用3-3.5倍的RDson裕量设计。SiC器件，在当前的肖特基二极管上应用已经基本成熟，主要问题在于SiC MOSFET的稳定性上面，还需要长期的工艺调试和摸索，技术难度已经基本克服。

除PD快充，GaN往大功率电源进攻

镓未来是国内*的GaN功率器件生产企业，致力于Cascode结构GaN产品的研发和生产。据介绍，该结构结合了硅器件的易用性和GaN器件的高频率高效率的特点，可以实现高达10KW的高功率密度电源解决方案，产品主要用于大功率服务器电源，基站电源等。最近，镓未来针对于快充应用，推出两款小尺寸贴片cascode GaN器件，G1N65R240PB 和 G1N65R480PA，分别对应65W和33W快充应用，以其强壮的抗干扰能力和简易的驱动方式，助力用户实现简洁高效的GaN快充设计。

目前氮矽科技的GaN功率器件在PD与LED电源等消费领域的应用已经逐渐成熟。白色家电，以及数据中心、光伏等工业类，甚至是汽车电子领域的厂商陆续对氮矽科技的GaN功率器件表现出了浓厚的兴趣。据悉，未来，氮矽科技产品将配合自研GaN驱动芯片逐步布局更大功率，更稳定的GaN功率器件与模组市场。

记者了解，芯珉GaN功率MOS，主要应用于超级快充，LED电源和小型化高密度电源。其中超级快充是传统GaN的主要市场，而LED电源、小型化高密度电源，比如断路器、微型基站电源是一个创新领域，也是芯珉接下来的主要布局市场。

PD快充作为第三代半导体材料GaN的主要市场，已经逐渐成熟，而未来，LED、基站、服务器等大功率电源或将成为GaN材料的热门应用市场。

SiC将在车载电源市场大放异彩

深圳美浦森半导体有限公司(简称“美浦森”)从成立之初就一直致力于第三代半导体材料SiC开发生产和推广，是国内最早研发及推广SiC产品公司之一，并形成了硅与SiC的双结合，给客户提供更多稳定选择。目前公司SiC产品已经成熟应用于PD快充、照明电源、光伏逆变及服务器电源领域；以电压段对应的不同市场，结合最新制程工艺对关键参数进行差异化设定，使产品更贴合用户方案设计。目前美浦森已经批量供应SiC MOS超低内阻产品，具备与进口品牌共享市场的能力，并继续投入研发通过不断改进，为客户带来更具性价比的选择。

据透露，美浦森已经在第三代半导体材料领域积极布局轨道交通、车载电源市场，并与多家国内龙头车商达成协议，亦有部分产品已经开始上车试验。

目前芯珉的SiC器件，主要应用在逆变器上，包含微型逆变器和大功率逆变器。目前芯珉推出的主要产品是SiC肖特基二极管和肖特基模组。据悉，芯珉未来第三代半导体材料市场将主要在充电桩、服务器电源等高效率、大功率电源场合进行布局。

截至今年，泰科天润半导体科技(北京)有限公司(简称“泰科天润”)已在SiC芯片领域深耕十年，其产品已经广泛运用于工业类(如大功率LED电源、PC电源、通信电源、光伏逆变器以及充电桩的充电模块等)，车载类电源(如OBC、 DCDC等)，消费类(如PD快充)市场。

泰科天润营销副总秋琪认为，未来的电源方向是小型化、轻量化和高功率密度，电动汽车等新兴领域必然是碳化硅器件的主要应用领域之一。因为电动汽车电机电控若采用全碳化硅方案，平均约每6台消耗一片碳化硅六寸晶圆，全球预计2025年电动车数量将达到1500万辆，所以碳化硅功率器件最强大的成长动力也在新能源汽车。

新能源汽车需要大量的汽车电子和电气的器件。这些器件对整机的总价值、尺寸、总量、动态性能、过载能力、耐用性和可靠性起着十分重要的作用。硅基IGBT作为主导型功率器件，应用于新能源汽车中的电机控制器，而电机及其控制器约占整车成本的7%-10%，是除电池以外第二高成本的元件，也是决定整车能源效率的关键器件。同时为了实现更大功率密度、高可靠，快充功率器件需要具有更强的性能，基于第三代半导体材料SiC的新一代汽车功率器件也将大放异彩。

国产替代的进程继续，成本将会逐步下降

从2018年的缺货浪潮，国外大厂步调一致地重点保供国外客户，到2020年疫情影响，国外厂商在东南亚生产基地受到严重减产影响，国产品牌厂商多次承担交付重任。除此之外，大力发展第三代半导体提升到*战略，结合国内巨大的需求市场，国产化替代有了前所未有的空间，也给了整个国产第三代半导体产业链一次迭代的机会。

今年来受惠于*的支持和国产半导体行业的不懈努力，国产第三代半导体正在以不可思议的速度高速成长。在第三代半导体方面，国内外差距没有一、二代半导体明显。就SiC二极管类来说，国内产品已经基本国产化，并且已经进入工业和汽车领域；在SiC Mosfet方面，国内外还有一些差距；在GaN方面，我国的GaN射频设备市场规模正在持续增长，其主要支柱以及主要增长动力为军备国防、无线通信基础设施等；在硅基GaN方面，如今主要应用于手机PD快充产品，由于消费类产品对成本非常敏感，以及产品自身的技术门槛低于工业类与车载类，国内外差距在不久之后将不再明显。

苑维*预计，在接下来的几年，SiC肖特基将*国产化。而SiC MOS当前还是和主要以日本的ROHM，美国的cree和欧洲的意法半导体、英飞凌为主，MOS国产化还需要技术工艺的进一步打磨，但长期趋势还是国产化。

当前第三代半导体器件的发展方向明确，国内原厂占据天时地利。对于国内第三代半导体材料SiC环境，这两年受中美贸易战、国外疫情以及东南亚封装厂的停工等外因挤压下，早年间对国内厂商持观望态度的国外厂商逐渐敞开怀抱，同时本土客户也持开放的态度与国内原厂交流。另一方面，部分国外友商跟欧美车厂之间存在深度绑定，对其他客户的供应能力下降，国内的标杆客户由于供应不够，便会考虑包括国产SiC在内的国产半导体。

秋琪认为，碳化硅材料从4寸到6寸乃至未来的8寸，第三代半导体材料SiC成本下降从而下沉分割硅的市场。

美浦森产品经理杨勇表示，未来，第三代半导体材料与国外大厂的产品差距会越来越小，直至追赶甚至反超，同时价格一定会越来越接近地气。氮矽科技市场经理柯威相信，在3-5年内，国内GaN功率器件的成本必然会直逼传统硅基MOS的价格，并成为市场新宠儿。

第三代半导体材料国产替代的进程依然任重道远。苑维*认为，当前第三代半导体中，GaN器件仍然以美国的navitas、PI和加拿大的gansystem为主，第三代半导体材料国产替代才刚刚开始，当前也主要是消费类电子市场进行替代，工业和汽车领域还有很长的路要走。

第三代半导体材料发展新方向

众所周知，采用第三代半导体材料的目的是为了提高产品效率和功率密度。大功率产品主要是Si IGBT向SiC MOSFET发展，目前在车载应用方面已经开始*替换，其效率的提升以及重量的减轻直接提高了电动车的续航能力。而中小功率产品是Si MOSFET向GaN HEMT发展，主要应用是数据中心电源及充电适配器。

数据中心消耗的能源大概占总发电量的10%左右，采用第三代半导体材料GaN设计的电源能够使效率提高3到5个点，从而节省全国千分之三到千分之五的电力消耗。这对于碳中和有非常重要的意义。充电适配器方面，采用氮化镓可以减少一半的体积，目前基本成为消费者的刚需。特别是随着PD3.1的推出，未来只需要带上一台PD适配器，就可以给任何便携式电器充电。这将是一个十亿量级的市场。

杨勇认为，随着*“碳中和”战略性基调以及对第三代半导体的持续支持，未来全球第三代半导体材料SiC消费市场中国必定一马当先。同时随着国内第三代半导体材料SiC制程开始逐渐成熟，并且已经稳定生产，相信不远可从根本上解决第三代半导体材料问题。

国产化趋势不可阻挡，第三代半导体是*弯道超车的主要产品，随着工艺的进步，将有非常广阔的市场空间。“第三代半导体材料不仅仅在于SiC和GaN，砷化镓(GaAs)等化合物也是未来的重要力量，在当前的5G PA、电力线宽带载波等领域都将有广阔的应用。”苑维*表示。

结语

受*政策和半导体行业的支持推动，以GaN和SiC为代表的第三代半导体材料，已经成为半导体行业发展的重要关注对象。特别是在PD快充与新能源汽车领域，第三代半导体材料GaN和SiC的使用极大地推动了产品革新与迭代。针对目前国产替代现状，随着国内厂商不断研发创新，突破技术难点，国内第三代半导体行业的位置将占有一席之地;同时随着衬底和外延片尺寸的增加和生产规模的扩大，第三代半导体材料成本也将有所下降，于更大功率电源的智能电网、轨道交通等诸多领域都会看到GaN和SiC等第三代半导体材料的亮眼身影。

免责声明：本文转载自“电子智造业 ”，本文仅代表作者个人观点，不代表萨科微及行业观点，只为转载与分享，支持保护知识产权，转载请注明原出处及作者，如有侵权请联系我们删除。

公司电话：+86-0755-83044319
传真/FAX：+86-0755-83975897
邮箱：1615456225@qq.com
QQ：3518641314 李经理

QQ：332496225 丘经理

地址：深圳市龙华新区民治大道1079号展滔科技大厦C座809室

上一篇：: 二极管大量采购要怎么找厂家呢？

下一篇：: 从0到30万客户*，华秋电子坚持做长期且正确的事

其他

第三代半导体材料GaN和SiC：国产应用新布局

客服QQ2635709730

客服QQ
2635709730