第三代半導體材料GaN和SiC：國產應用新布局

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2022-03-17 09:14:24 11

前言

第三代半導體材料具有優越的性能和能帶結構，廣泛應用于射頻器件、光電器件、功率器件等制造，目前已逐漸滲透5G通信、PD快充和新能源汽車等新興領域市場，被認為是半導體行業的重要發展方向。但不可否認，目前GaN和SiC材料技術難點問題仍然存在，國產替代程度不高，成本依舊居高不下等情況困擾著國內第三代半導體行業進程。作為提高產品效率和功率密度的重點材料，第三代半導體材料GaN和SiC當前的發展狀況備受關注。

2018-2030年全球GaN電力電子器件應用領域的演進 8fc801791fb98f0f62ab8b4193f75f82

SiC應用場景

GaN和SiC材料的技術難點和特點

目前，第三代半導體材料GaN和SiC已經得到了市場認可和高度關注。在功率半導體的范疇，業內人士認為，除了LED發光和射頻，第三代半導體材料SiC的技術難點主要在于襯底缺陷的控制。當前低缺陷密度的襯底材料主要是歐美及日本廠商生產，國內想要突破還需要相當長的一段時間。

同時第三代半導體材料SiC工藝控制難度高、產品批次性波動大導致良率偏低以及主要材料供應被壟斷，甚至推導到市場價格一直居高不下，目前只限定在部分應用市場。但相比SiC更低損耗、更高效率以及高電壓耐高溫等一系列自身特點而言，第三代半導體材料SiC的應用已經開始改變更多行業。

與SiC不同，GaN相對比較復雜。GaN并不是真正意義上的MOSFET，而是HEMT(高電子遷移率晶體管)，其開關特性具有MOSFET相近的功能。GaN HEMT是平面導電結構，不依賴于襯底，可以在藍寶石或者硅襯底上都能實現，但它難以實現常閉型器件。珠海鎵未來科技有限公司(簡稱“鎵未來”)市場總監張大江認為，解決方案有兩種：一種是在柵極加入P型摻雜，阻斷二維電子氣，實現常閉功能；另一種是在源極串聯低壓MOSFET，通過控制低壓MOSFET來提供GaN柵極的負壓關斷，其好處是MOSFET的驅動抗干擾能力強。

除此之外，第三代半導體材料GaN目前的技術難點還來自于其他多方面。工藝的難度上，GaN材料面臨器件良率與一致性以及可靠性等問題的挑戰;對于氮化鎵企業來說，怎么能完善測試內容與流程用最快最準確的方式替客戶篩查出工作*的器件；GaN的高耐熱，耐高頻，低Vth等特性注定了它與傳統硅器件不一樣的封裝方向；同時應用上，第三代半導體材料GaN的加入顛覆了傳統的電源行業，新的電源行業對PWM控制芯片、變壓器產商等都有了更高的要求。

記者了解到，成都氮矽科技有限公司(簡稱“氮矽科技”)經過長時間的研究與實踐，自建一套完善的測試線，不但能為客戶選出工作正常的器件，而且能將器件劃分等級，為客戶提供能達到要求的高性價比產品，并用大量的實踐測試數據幫助代工廠的工藝發展提供改進方向。另一方面，氮矽科技大力研究先進封裝與合封技術，增強GaN器件的性能和易用性；同時聯系各大變壓器與PWM芯片等廠商合作開發方案。

芯珉微電子(上海)有限公司(簡稱“芯珉”)CEO苑維*認為，GaN與硅器件類似，高溫下打通內阻表現出2倍以上系數的增加，與硅器件不同的是，開關過程中，額外的電應力導致導通內阻動態增加。所以GaN器件的技術難點主要在于，如何處理隨著使用時間和環境溫度的不同而導致的內阻不同，具體表現為：

一：RDson隨著溫度的上升，呈現不穩定狀態，如下圖：

二：RDson隨著時間的推移，也表現出不穩定狀態，如下圖：

基于上述GaN器件的問題，其解決方案是：綜合考慮熱電應力的因素，考慮使用3-3.5倍的RDson裕量設計。SiC器件，在當前的肖特基二極管上應用已經基本成熟，主要問題在于SiC MOSFET的穩定性上面，還需要長期的工藝調試和摸索，技術難度已經基本克服。

除PD快充，GaN往大功率電源進攻

鎵未來是國內*的GaN功率器件生產企業，致力于Cascode結構GaN產品的研發和生產。據介紹，該結構結合了硅器件的易用性和GaN器件的高頻率高效率的特點，可以實現高達10KW的高功率密度電源解決方案，產品主要用于大功率服務器電源，基站電源等。最近，鎵未來針對于快充應用，推出兩款小尺寸貼片cascode GaN器件，G1N65R240PB 和 G1N65R480PA，分別對應65W和33W快充應用，以其強壯的抗干擾能力和簡易的驅動方式，助力用戶實現簡潔高效的GaN快充設計。

目前氮矽科技的GaN功率器件在PD與LED電源等消費領域的應用已經逐漸成熟。白色家電，以及數據中心、光伏等工業類，甚至是汽車電子領域的廠商陸續對氮矽科技的GaN功率器件表現出了濃厚的興趣。據悉，未來，氮矽科技產品將配合自研GaN驅動芯片逐步布局更大功率，更穩定的GaN功率器件與模組市場。

記者了解，芯珉GaN功率MOS，主要應用于超級快充，LED電源和小型化高密度電源。其中超級快充是傳統GaN的主要市場，而LED電源、小型化高密度電源，比如斷路器、微型基站電源是一個創新領域，也是芯珉接下來的主要布局市場。

PD快充作為第三代半導體材料GaN的主要市場，已經逐漸成熟，而未來，LED、基站、服務器等大功率電源或將成為GaN材料的熱門應用市場。

SiC將在車載電源市場大放異彩

深圳美浦森半導體有限公司(簡稱“美浦森”)從成立之初就一直致力于第三代半導體材料SiC開發生產和推廣，是國內最早研發及推廣SiC產品公司之一，并形成了硅與SiC的雙結合，給客戶提供更多穩定選擇。目前公司SiC產品已經成熟應用于PD快充、照明電源、光伏逆變及服務器電源領域；以電壓段對應的不同市場，結合最新制程工藝對關鍵參數進行差異化設定，使產品更貼合用戶方案設計。目前美浦森已經批量供應SiC MOS超低內阻產品，具備與進口品牌共享市場的能力，并繼續投入研發通過不斷改進，為客戶帶來更具性價比的選擇。

據透露，美浦森已經在第三代半導體材料領域積極布局軌道交通、車載電源市場，并與多家國內龍頭車商達成協議，亦有部分產品已經開始上車試驗。

目前芯珉的SiC器件，主要應用在逆變器上，包含微型逆變器和大功率逆變器。目前芯珉推出的主要產品是SiC肖特基二極管和肖特基模組。據悉，芯珉未來第三代半導體材料市場將主要在充電樁、服務器電源等高效率、大功率電源場合進行布局。

截至今年，泰科天潤半導體科技(北京)有限公司(簡稱“泰科天潤”)已在SiC芯片領域深耕十年，其產品已經廣泛運用于工業類(如大功率LED電源、PC電源、通信電源、光伏逆變器以及充電樁的充電模塊等)，車載類電源(如OBC、 DCDC等)，消費類(如PD快充)市場。

泰科天潤營銷副總秋琪認為，未來的電源方向是小型化、輕量化和高功率密度，電動汽車等新興領域必然是碳化硅器件的主要應用領域之一。因為電動汽車電機電控若采用全碳化硅方案，平均約每6臺消耗一片碳化硅六寸晶圓，全球預計2025年電動車數量將達到1500萬輛，所以碳化硅功率器件最強大的成長動力也在新能源汽車。

新能源汽車需要大量的汽車電子和電氣的器件。這些器件對整機的總價值、尺寸、總量、動態性能、過載能力、耐用性和可靠性起著十分重要的作用。硅基IGBT作為主導型功率器件，應用于新能源汽車中的電機控制器，而電機及其控制器約占整車成本的7%-10%，是除電池以外第二高成本的元件，也是決定整車能源效率的關鍵器件。同時為了實現更大功率密度、高可靠，快充功率器件需要具有更強的性能，基于第三代半導體材料SiC的新一代汽車功率器件也將大放異彩。

國產替代的進程繼續，成本將會逐步下降

從2018年的缺貨浪潮，國外大廠步調一致地重點保供國外客戶，到2020年疫情影響，國外廠商在東南亞生產基地受到嚴重減產影響，國產品牌廠商多次承擔交付重任。除此之外，大力發展第三代半導體提升到*戰略，結合國內巨大的需求市場，國產化替代有了前所未有的空間，也給了整個國產第三代半導體產業鏈一次迭代的機會。

今年來受惠于*的支持和國產半導體行業的不懈努力，國產第三代半導體正在以不可思議的速度高速成長。在第三代半導體方面，國內外差距沒有一、二代半導體明顯。就SiC二極管類來說，國內產品已經基本國產化，并且已經進入工業和汽車領域；在SiC Mosfet方面，國內外還有一些差距；在GaN方面，我國的GaN射頻設備市場規模正在持續增長，其主要支柱以及主要增長動力為軍備國防、無線通信基礎設施等；在硅基GaN方面，如今主要應用于手機PD快充產品，由于消費類產品對成本非常敏感，以及產品自身的技術門檻低于工業類與車載類，國內外差距在不久之后將不再明顯。

苑維*預計，在接下來的幾年，SiC肖特基將*國產化。而SiC MOS當前還是和主要以日本的ROHM，美國的cree和歐洲的意法半導體、英飛凌為主，MOS國產化還需要技術工藝的進一步打磨，但長期趨勢還是國產化。

當前第三代半導體器件的發展方向明確，國內原廠占據天時地利。對于國內第三代半導體材料SiC環境，這兩年受中美貿易戰、國外疫情以及東南亞封裝廠的停工等外因擠壓下，早年間對國內廠商持觀望態度的國外廠商逐漸敞開懷抱，同時本土客戶也持開放的態度與國內原廠交流。另一方面，部分國外友商跟歐美車廠之間存在深度綁定，對其他客戶的供應能力下降，國內的標桿客戶由于供應不夠，便會考慮包括國產SiC在內的國產半導體。

秋琪認為，碳化硅材料從4寸到6寸乃至未來的8寸，第三代半導體材料SiC成本下降從而下沉分割硅的市場。

美浦森產品經理楊勇表示，未來，第三代半導體材料與國外大廠的產品差距會越來越小，直至追趕甚至反超，同時價格一定會越來越接近地氣。氮矽科技市場經理柯威相信，在3-5年內，國內GaN功率器件的成本必然會直逼傳統硅基MOS的價格，并成為市場新寵兒。

第三代半導體材料國產替代的進程依然任重道遠。苑維*認為，當前第三代半導體中，GaN器件仍然以美國的navitas、PI和加拿大的gansystem為主，第三代半導體材料國產替代才剛剛開始，當前也主要是消費類電子市場進行替代，工業和汽車領域還有很長的路要走。

第三代半導體材料發展新方向

眾所周知，采用第三代半導體材料的目的是為了提高產品效率和功率密度。大功率產品主要是Si IGBT向SiC MOSFET發展，目前在車載應用方面已經開始*替換，其效率的提升以及重量的減輕直接提高了電動車的續航能力。而中小功率產品是Si MOSFET向GaN HEMT發展，主要應用是數據中心電源及充電適配器。

數據中心消耗的能源大概占總發電量的10%左右，采用第三代半導體材料GaN設計的電源能夠使效率提高3到5個點，從而節省全國千分之三到千分之五的電力消耗。這對于碳中和有非常重要的意義。充電適配器方面，采用氮化鎵可以減少一半的體積，目前基本成為消費者的剛需。特別是隨著PD3.1的推出，未來只需要帶上一臺PD適配器，就可以給任何便攜式電器充電。這將是一個十億量級的市場。

楊勇認為，隨著*“碳中和”戰略性基調以及對第三代半導體的持續支持，未來全球第三代半導體材料SiC消費市場中國必定一馬當先。同時隨著國內第三代半導體材料SiC制程開始逐漸成熟，并且已經穩定生產，相信不遠可從根本上解決第三代半導體材料問題。

國產化趨勢不可阻擋，第三代半導體是*彎道超車的主要產品，隨著工藝的進步，將有非常廣闊的市場空間。“第三代半導體材料不僅僅在于SiC和GaN，砷化鎵(GaAs)等化合物也是未來的重要力量，在當前的5G PA、電力線寬帶載波等領域都將有廣闊的應用。”苑維*表示。

結語

受*政策和半導體行業的支持推動，以GaN和SiC為代表的第三代半導體材料，已經成為半導體行業發展的重要關注對象。特別是在PD快充與新能源汽車領域，第三代半導體材料GaN和SiC的使用極大地推動了產品革新與迭代。針對目前國產替代現狀，隨著國內廠商不斷研發創新，突破技術難點，國內第三代半導體行業的位置將占有一席之地;同時隨著襯底和外延片尺寸的增加和生產規模的擴大，第三代半導體材料成本也將有所下降，于更大功率電源的智能電網、軌道交通等諸多領域都會看到GaN和SiC等第三代半導體材料的亮眼身影。

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