第四代半导体来了%2C氧化能取代碳化硅.pdf
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1、2023年9 月计算机应用文摘第39 卷第17 期第四代半导体来了,氧化能取代碳化硅?在数字化和智能化趋势的推动下,半导体市场的发展热度持续攀升。特别是随着量子信息、人工智能等高新技术的不断发展,半导体新体系及其微电子等多功能器件技术也在迅速更新迭代。为了满足新的高性能和低成本的需求,行业内开始关注第四代半导体,其中最引人注目的就是氧化镓。这种材料具有许多优越的特性,被视为可能颠覆目前的化合物半导体市场并让国产芯片商实现弯道超车的材料。但氧化也有不少挑战需要面对和克服。超越碳化硅,氧化镓的优势作为第四代半导体材料,氧化镓具备禁带宽度大(4.8 e V)、临界击穿场强高(8 MV/cm)、导通特
2、性好等优势。氧化镓有五种已确认的结晶形态,其中最稳定的是-Ga203。其禁带宽度为4.8 4.9 eV,击穿场强高达8 MV/cm,而其导通电阻比SiC和GaN低得多,极大降低了器件的导通损耗。其特性参数巴利加优质(BFOM)高达340 0,大约是SiC的10 倍、GaN的4倍。相比于碳化硅和氮化镓,氧化镓的生产过程可以使用常压下的液态熔体法,这使得其品质高、产量大且成本低。而碳化硅和氮化镓由于自身的特性,只能使用气相法生产,需要维持高温生产环境,消耗大量能源。这就表示在生产制造上氧化镓具有成本优势,同时适合国内厂商快速提高产能。在与碳化硅的比较中,氧化镓在几乎所有的性能参数上都超过了碳化硅。
3、特别是其较大的禁带宽度和较高的击穿场强,使得它在大功率和高频率应用中具有显著优势。氧化镓的具体应用和市场潜力氧化镓的发展前景日益凸显,该市场当前主要由日本的 Novel Crystal Technology(NC T)和Flosfia 两大巨头垄断。NCT自2 0 12 年开始投人氧化的研发,成功突破多项关键技术,包括2 英寸氧化镓晶体与外延技术,以及氧化镓材料的量产等。其高效性与高性能受到了行业的广泛认可。其在2 0 2 1年成功量产4英寸氧化镓晶圆,并已开始供应客户晶圆,为日本在第三代化合物半导体竞赛中再度保持领先。据NCT预测,氧化镓晶圆的市场在未来十年将放量增长,到2 0 30 年将扩
4、大到约30.2 亿元人民币规模。FLOSFIA预测,到2 0 2 5年,氧化镓功率器件市场规模将开始超过氮化镓,2 0 30 年将达到15.42 亿美元(约100亿元人民币),占碳化硅的40%,是氮化镓的1.56倍。根据富士经济的预测,到2 0 30 年,氧化功率元件市场规模将达到1542 亿日元(约9 2.7 6 亿元人民币),将超过氮化镓功率元件的市场规模。这种趋势反映了氧化镓在功率电子设备中的重要性及其未来的潜力。在一些特定应用领域,氧化镓有着巨大的优势。在功率电子领域,氧化镓功率器件与氮化、碳化硅有部分重合,军用领域主要应用于高功率电磁炮、坦克战斗机舰艇等电源控制系统以及抗辐照、耐高温
5、宇航用电源等;民用领域则主要应用于电网、电力牵引、光伏、电动汽车、家用电器、医疗设备和消费类电子等。新能源车市场也为氧化镓提供了巨大的应用场景。然而,国内在车规级功率器件方面一直很薄弱,目前尚无车规的SiCMOSIDM。虽然有几家在XFab代工的Fabless企业可以快速将较为全面的SBD和MOS规格推向市场,销售和融资进展较为顺利,但是未来仍要自建FAB形成IDM掌握产能、研发独有工艺,才能产生差异化的竞争优势充电桩对成本非常敏感,这就为氧化镓提供了机会。如果能满足甚至超过性能需求的同时,以成本优势获得市场的认可,那么氧化镓在这个领域的应用就有很大的可能性。在射频器件市场,氧化镓的市场容量可
6、参考碳化硅外延氮化器件的市场。新能源汽车的核心是逆变器,对器件的规格要求非常高。目前,意法半导体、日立、安森美、Rohm等企业能够量产供应车规级SiCMOSFET。预计到2 0 2 6 年,这一数字将增长至2 2.2 2亿美元(约150 亿元人民币),表明氧化镓在射频器件市场具有广阔的应用前景和市场潜力。电力电子领域的另一项重要应用是48 V电池。本文来源于公众号:与非网eefocus,ID:e e-f o c u s,作者李坚,本文已经授权转载。138随着锂电池的广泛使用,可以用更高的电压系统取代铅蓄电池12 V电压系统实现高效、减重、节能的目的。这些锂电池系统内将广泛采用48 V电压,对于
7、电子电力系统来说,需要的是高效率的48 V到12 V/5V转换。以二轮电动车市场为例,据2 0 2 0 年的资料显示,中国电动两轮车总体产量为48 34万辆,同比增长2 7.2%,锂电渗透率超过16%。面对这样的市场,氧化镓、GaN和硅基SG-MOS器件等10 0 V耐压大电流器件正在瞄准这个应用发力。在工业领域,它有几大机会和优势,包括单极替换双极,更高的能效,易于大规模生产,以及可靠性的需求。这些特性使得氧化镓在未来的电力应用中可能扮演重要角色。长期来看,氧化镓的功率器件预计将在6 50 V/1200V/1700V/3300V的市场中发挥作用,并预计在2 0 2 52 0 30 年将全面渗
8、透车载和电气设备领域。短期来说,氧化镓的功率器件将首先在消费电子、家电以及高可靠、高性能的工业电源等领域出现。它的这些特性可能使其在硅(Si)、碳化硅(Si C)、氮化镓(GaN)等材料之间形成竞争。未来几年氧化镓的竞争焦点将集中在40 0 V平台的常规使用6 50 V器件领域。这个领域的竞争将涉及开关频率、能量损耗、芯片成本、系统成本和可靠性等多个因素。然而,随着技术的进步,平台可能升级为8 0 0 V,这将需要使用12 0 0 V或17 0 0 V器件,这已经是SiC 和Ga203的优势领域。在这个竞争中,初创企业有机会通过与客户深入沟通,建立场景认知、车规体系和客户心智,为向车企客户逆变
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