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国际丨台积电携手意法进军功率氮化镓市场

2020-02-29 10:24
Ai芯天下
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前言:

作为第三代半导体材料新星之一的氮化镓(GaN),正在迅速燃爆市场。台积电2月21日宣布,与意法半导体合作加速市场采用氮化镓产品。加速氮化镓(GaN)制程技术的开发,并将分离式与整合式氮化镓元件导入市场。

PK对手的结果都是KO

近几年,氮化镓作为一个高频词汇进入了人们的视野中。

氮化镓自出生以来南征北战,无论是PK碳化硅(SiC)还是吊打砷化镓(GaAs),作为第三代半导体材料的GaN优势凸显。

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①由于禁带宽度大、导热率高,GaN器件可在200℃以上的高温下工作,能够承载更高的能量密度,可靠性更高。

②其较大的禁带宽度和绝缘破坏电场,使得器件导通电阻减少,有利于提升器件整体的能效。

③电子饱和速度快,以及较高的载流子迁移率,可让器件高速地工作。

④相较于硅基元件,氮化镓元件切换速度增快达10倍,同时可以在更高的最高温度下运作。

这些强大的材料本质特性让氮化镓广泛适用于具备100伏与650伏两种电压范畴之持续成长的汽车、工业、电信、以及特定消费性电子应用产品。

GaN在成本控制方面显示出了更强的潜力。目前主流的GaN技术厂商都在研发以Si为衬底的GaN的器件,来替代昂贵的SiC衬底。

由于GaN器件是个平面器件,与现有的Si半导体工艺兼容性强,这使其更容易与其他半导体器件集成。

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台积电+意法共同合作各有用意

目前氮化镓因为小米充电器而受到市场热烈的炒作,就在近日,台积电宣布将与意法半导体合作加速市场采用GaN产品,而意法半导体预计将在今年晚些时候将首批样品交给主要的客户。

GaN之前一直没能普及,与其高高在上的价格不无关系,而现在,随着市场需求量增大、大规模生产的实现,以及工艺技术的革新等原因,GaN器件的价格有望走向平民化,这对GaN器件的普及也铺平了道路。

而功率氮化镓及氮化镓积体电路技术将协助消费型与商用型汽车朝向电气化的大趋势加速前进。

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具体而言,相较于硅技术,功率氮化镓及氮化镓积体电路产品,在相同制程上具备更优异的效益,能够协助意法半导体提供中功率与高功率应用所需的解决方案,包括应用于油电混合车的转换器与充电器。

具相较于硅技术,功率氮化镓及氮化镓集成电路产品,在相同制程上具备更优异的效益,能够协助意法半导体提供中功率与高功率应用所需的解决方案,包括应用于油电混合车的转换器与充电器。

此项合作补足了意法半导体在法国图尔地区以及与电子暨资讯技术实验室合作所从事的既有功率氮化镓活动。对于功率、智慧型功率电子、以及制程技术而言,氮化镓代表下一个重大的创新。

台积电期待和意法半导体合作把氮化镓功率电子的应用带进工业与汽车功率转换。

而台积电领先的氮化镓制造专业结合意法半导体的产品设计与汽车级验证能力,将大幅提升节能效益,支援工业及汽车功率转换之应用,让它们更环保,并且协助加速汽车电气化。

台积电氮化镓制造专业结合意法半导体的产品设计与汽车级验证能力,将大幅提升节能效益,支援工业及汽车功率转换之应用,让它们更环保,并且协助加速汽车电气化。

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对未来汽车发展注入新动能

作为一种新型材料,GaN 具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

作为第三代功率半导体领域的重要成员,GaN凭借其高速开关能力、精简的外围电路以及更低功率损耗等多项优势,在12V甚至未来48V的汽车电池DC-DC转换器以及OBC等应用上将大有用武之地。

GaN系统的功率电晶体产品为工程师打造当今智能汽车系统所需的新功率电子件提供了新的空间。

随着电动驾驶车辆的出现与普及,数据中心的基础架构将大幅扩充,数据中心能耗成本将成为诸多驾驶员的一大难题。若提升其功率转换效率,势必将节省数十亿美元。

随着GaN产品在消费电子渗透率提升和5G基建刚需的带动下,成本下降,应用场景将进一步扩大到新能源汽车、激光雷达、数据中心等,从而刺激功率半导体市场繁荣。

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氮化镓市场规模将迅速提升

调研机构Yole认为,2022年氮化镓功率器件的市场规模为4.62亿美元。而在5G基站等建设的拉动下,到2024年氮化镓射频器件市场规模有望突破20亿美元。

在这些广阔前景的召唤下,GaN产业链包括上游的材料(衬底和外延)、中游的器件和模组、下游的系统和应用等均将受益。

2019年GaN功率器件国际市场规模中,电源设备领域占比55%,其次是激光雷达,占比达到26%。其他下游应用如包络跟踪、无线电源等。

2019年,GaN 功率电子器件国内市场规模约为1.2亿元,尚处于应用产品发展初期,但未来市场空间有望持卖拓展,在市场乐观项期下,2028年GaN功率电子市场规模有望达到4.24亿美元。

据统计,预计2022 年全球氮化镓衬底市场规模将达到 64 亿元,2017 至 2022年的年复合增长率为 34%。

目前积报推广GaN技术的公司已经目熟能详,例如宜普电源专换公司、GaN Systems、Navitas、英飞凌和安森美半导体。

如今,越来越多的公司正在进入该市场,有的明刀明枪雄心勃渤,有的则被其专利布局暴露了意图。

拥有强大技术和专利布局的核心厂商们已经为未来几年主导功率GaN市场作好了准备。

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国内企业也在积极布局

2015年5月,国务院印发了《中国制造2025》。其中,4次提到了以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体功率器件。

到目前为止,国内已有四条4/6英寸SiC生产/中试线和三条GaN生产/中试线相继投入使用,并在建多个与第三代半导体相关的研发中试平台。

在GaN衬底方面,国内已经小批量生产2英寸衬底,具备4英寸衬底生产能力,并开发出6英寸衬底样品。

三安光电、闻泰科技、富满电子等标的受到重点关注。其中,今年2月3日,三安光电还在投资者交流平台上表示,公司目前氮化镓产能约2000片每月,产能还在增加。

关于氮化镓方面,三安光电表示,目前,公司氮化镓产能约2000片每月,产能还在增加。

三安集成的氮化镓E-HEMT技术的目标是服务于消费者和工业应用,如适配器/充电器,电信/服务器smp,无线电源,车载充电器(OBC)和成本有效的解决方案。其中,氮化镓业务板块的产能规划包括年产氮化镓芯769.20万片、PSS衬底年产923.40万片、大功率激光器年产141.80万颗。

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国内氮化镓的发展难题

①宽禁带功率半导体面临的技术难题很多,如衬底材料的完整性、外延层及欧姆接触的质量、工艺稳定性、器件可靠性以及成本控制等,宽禁带功率半导体产业化的难度比外界想象的要大很多。

②5G移动通信、电动汽车等是宽禁带半导体产业最具有爆发性增长潜力的应用领域,国内在产业生态的成熟度上与国外的差距还比较明显,落后程度更甚于技术层面的落后程度。

③虽然目前我国在一些GaN领域取得了关键性突破,但是与国际领先水平相比,我国在第三代半导体衬底、外延材料、器件的整体技术水平落后3年左右。

结尾:

随着消费电子产品对功能的多样性需求不断增强,消费者对于快充技术的需求也愈发强烈,氮化镓技术能够很好的满足消费者的使用需求和消费体验,这也预示着今年或将成为氮化镓产品爆发的一年。


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