【芯版图】氮化镓站在“风口”,全产业布局“攻关”

来源:爱集微 #GaN# #5G# #基站# #SiC#
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【编者按】芯版图:盘点各省/市/园区半导体产业布局情况,探究企业技术/项目布局等。

集微网消息 3月,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》(以下简称《规划纲要》)对外公布,其中“集成电路”领域,特别提到碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体的发展。

碳化硅、氮化镓为何如此重要

第三代半导体之所以被如此重视,一方面,与其广泛的应用范围密不可分。

根据达摩院发布的《2021十大科技趋势》预测的第一大趋势是“以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体迎来应用大爆发”。达摩院指出,近年来,第三代半导体的性价比优势逐渐显现,正在打开应用市场:SiC元件已用作汽车逆变器,GaN快速充电器也大量上市。未来五年,基于第三代半导体材料的电子器件将广泛应用于5G基站、新能源汽车、特高压、数据中心等场景。

华安证券指出,由于第三代半导体材料更为优异,与国外差距相对较小,国家希望通过“十四五”规划,把第三代半导体提升至战略高度,第三代半导体可能成为我国半导体产业发展的弯道超车机会。国信证券也指出,第三代半导体是中国半导体领先全球的机会。

另一方面,因国内开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚,与国外相比水平较低,阻碍国内第三代半导体研究进展的重要因素是原始创新问题。此次“碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体的发展”出现在《规划纲要》中的“加强原创性引领性科技攻关”章节。

站在风口的氮化镓 还有哪些方面需要攻关

早在60年代氮化镓已经应用于LED产品中,近几年,随着技术逐渐走向成熟,氮化镓的应用范围开始拓展到射频、功率等领域,从具体下游应用看,目前氮化镓器件已应用于5G通信基站射频收发单元、消费类电子快速充电器、电动汽车充电机OBC等。

射频器件方面,由于氮化镓 GaN 材料的散热特性、功率特性能够较好满足5G基站要求,且随着GaN器件成本的下降和工艺的成熟,氮化镓GaN材料有望成为基站PA主流材料。

功率器件方面,快充成为其最大推动力,应用于充电器领域,充电快、体积小、功率高是其最为明显的特征。GaN充电器解决了传统PD充电器的痛点问题,如发热量大、散热效果不佳等。

从目前的发展形势来看,GaN技术相对成熟,价格也有回落;GaN充电器以其独有的优势受到了众多消费者的青睐,快充市场的实现轨迹越来越明显。

据了解,纳微GaN Fast氮化镓功率芯片已被联想,戴尔,OPPO,小米等一线品牌客户广泛采用,应用于高达200W的快充充电器设计中,出货量超过1300万,成功实现零故障,这也反应了全球移动消费电子市场正加速采用氮化镓芯片,实现移动设备和相关设备的快速充电。

从产业链角度看,根据Yole报告,氮化镓产业链基本包括衬底、外延片、器件制造等环节,目前主流氮化镓生产厂家依旧集中在欧洲国家及日本等,我国企业尚未进入供给端第一梯队。

虽然相对落后,但目前国内还是形成了相对完整的产业链体系。在氮化镓领域,从事氮化镓单晶生长的企业,主要有苏州纳维、东莞中镓、上海镓特和芯元基等;从事氮化镓外延片的国内厂商主要有三安光电、赛微电子、海陆重工等;从事氮化镓器件的厂商主要有三安光电、闻泰科技、赛微电子、聚灿光电、乾照光电等。

氮化镓在性能、效率、能耗、尺寸等方面较市场主流的硅功率器件均有显著数量级的提升,但其发展也面临着许多问题。

原材料短缺。氮化镓是自然界没有的物质,完全要靠人工合成。氮化镓没有液态,因此不能使用单晶硅生产工艺的直拉法拉出单晶,纯靠气体反应合成。由于反应时间长,速度慢,反应副产物多,设备要求苛刻,技术异常复杂,产能极低,导致氮化镓单晶材料极其难得。

另外,目前我国对SiC晶圆的制备尚为空缺,大多数设备靠国外进口。而主流氮化镓器件公司都采用碳化硅衬底,因为基于碳化硅衬底的氮化镓器件比硅衬底氮化镓器件性能更好,良率更高,更能体现氮化镓材料优势,但碳化硅衬底成本更高。

氮化镓封装成本极高。氮化镓主要用金属陶瓷封装,封装成本占到整个器件成本的三分之一到一半。尽管业界已经在尝试纯铜、塑封、空腔塑封等形式来替代金属陶瓷封装,但由于金属陶瓷封装在性能、散热与可靠性上的优势,仍然是氮化镓器件的首选封装。

据悉,具体到5G射频领域,射频的技术壁垒比电力电子高得多。电力电子工艺主要涉及材料、器件设计、前道工艺和后道封测。但射频器件多了一个电磁波的技术维度,涉及射频电路、射频功放以及微波电子等,技术门槛更高。

“政策+资本”双驱动 如何助推产业攻坚克难

新能源与5G通信推动第三代半导体兴起,在国家政策扶持及行业巨头的引领下,以GaN、SiC为代表的第三代半导体行业前景乐观。

据集邦咨询(TrendForce)指出,因疫情趋缓所带动5G基站射频前端、手机充电器及车用能源等需求逐步提升,预期2021年GaN通讯及功率器件营收分别为6.8亿和6100万美元,年增30.8%及90.6%,SiC器件功率领域营收可达6.8亿美元,年增32%。

上海临港新片区发布集成电路产业专项规划(2021-2025),规划提出,推进6英寸、8英寸GaAs、GaN和SiC工艺线建设,面向5G、新能源汽车等应用场景,加快化合物半导体产品验证应用。

近日,科技部、国家发展改革委、工业和信息化部等六部门印发《长三角G60科创走廊建设方案》(以下简称《方案》),《方案》明确,在重点领域培育一批具有国际竞争力的龙头企业,加快培育布局量子信息、类脑芯片、第三代半导体等一批未来产业。

除了政策方面的加持,国内企业在工艺、制备设备方面也都有待进一步突破,并在批量供应方面加速布局。

海特高新2月26日在投资者互动平台表示,公司已突破5G宏基站的射频氮化镓代工工艺技术,在流片工艺上,已可实现代工制造。

3月18日,从中国电子科技集团有限公司获悉,在中国国际半导体设备与材料展上,该集团旗下电科装备成功发布立式LPCVD(低压化学气相淀积)设备。作为第三代半导体关键制造装备,其将为我国在第三代半导体领域快速并赶超国际先进水平提供坚实保障。

4月1日,赛微电子公告称,与青州政府签订了《合作协议》,拟投资10亿元建设聚能国际6-8英寸硅基氮化镓功率器件半导体制造项目。该项目一期建成投产后将形成6-8英寸GaN芯片晶圆5000片/月的生产能力,二期建成投产后将形成6-8英寸GaN芯片晶圆12000片/月的生产能力。

公告称,赛微下游应用端的意向需求也很强烈,公司面临着稳定批量供应方面的巨大挑战。同时,赛微还表示,该项目有利于公司进一步完善GaN业务的全产业链IDM布局,进一步加强产能保障,把握 GaN 业务发展的关键机遇窗口。

随着汽车电气化、5G通信、工业4.0市场的不断增长,基于GaN的主流设计正渐入佳境。

3月11日,闻泰科技全资子公司安世半导体宣布与国内汽车行业龙头企业联合汽车电子有限公司(简称UAES)在功率半导体氮化镓(GaN)领域展开深度合作,旨在满足未来对新能源汽车电源系统不断提升的技术需求,并共同致力于推动GaN工艺技术在中国汽车市场的研发和应用。

总结

氮化镓拥有巨大的发展潜力巨大,在5G通信、电源等市场都有着广阔的前景,同时,其在数据中心服务器电源、高端工业配电系统电源等领域也有着应用潜能。

头部厂商对车规氮化镓多处于研发阶段,安世半导体正在研发用于高压DC-DC直流转换器、OBC等车用氮化镓产品。氮化镓在车规领域的应用还处于初级阶段,但未来几年预计会呈现递进式的增长。

Omdia预测,从2019年到2024年,数据中心电源中使用的GaN功率晶体管的总体复合年增长率(CAGR)将为66.5%。对于数据中心,服务器运行所需的电能往往占据运营成本的“大头”,如何提升能效比成为现代数据中心的关键课题。相对快充等体积敏感的应用领域,服务器电源将更好地发挥氮化镓高效率、低功耗的优势。

目前但它仍面临着许多挑战,需要国内产学研用等相关方面要勇于挑战,创新合作模式,协同攻关,建立并发展好国内氮化镓产业链,共同促进氮化镓材料的发展。(校对/言之)

责编: 赵碧莹
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