原创千亿风口下的第三代半导体GaN功率器件

 2021-10-22 10:40  2744 20 20 分类: 电源/新能源文集: 功率器件应用

什么是GaN功率器件

第一代半导体材料是以硅(Si)、锗(Ge)为主，第二代半导体材料是以砷化镓(GaAs)、锑化铟(lnSb)为主。以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AIN)为代表的宽禁带半导体材料，被称为第三代半导体材料，目前发展较为成熟的是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。

GaN器件目前被称为HEMT (High Electron Mobility Transistors)，这种高电子迁移率的晶体管用于许多电子设备中，例如全控型电力开关，高频的放大器或振荡器。其主要优势是高频特性、高功率密度。

南京芯干线科技的GaN为了满足电源设计中高频回路环路小的要求，设计了双门极驱动GaN HEMT，客户在进行PCB LAYOUT设计时可以可以根据实际灵活选用不同门级进行驱动电路设计，同时也大大缩小了GaN HEMT并联应用时的高频环路。具体如下图所示。

第三代半导体政策支持

“十四五”开局以来，我国部分省份从原材料、芯片设计、晶圆加工及封测技术等多个角度提出了半导体分立器件制造行业相关的发展目标。

在21年2月份，工业与信息化部关于印发《基础电子元器件产业发展行动计划(2021-2023年)》的通知，指出到2023年，优势产品竞争力进一步增强，产业链安全供应水平显著提升，面向智能终端、5G、工业互联网等重要行业，推动基础电子元器件实现突破，增强关键材料、设备仪器等供应链保障能力，提升产业链供应链现代化水平。

第三代半导体功率器件应用现状

根据Yole和Omdia调研显示，截止2020年底，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率半导体的全球市场份额将增长到8.54亿美元，SiC电力电子市场规模约为7.03亿美元，GaN电力电子市场规模约为1.51亿美元。截止到2025年SiC电力电子市场规模将超过30亿美元，GaN电力电子器件市场规模将超过6.8亿美元。

综合Yole、IHS、Gartner等多家市场分析机构数据及调研结果显示，2020年全球功率半导体器件市场规模约为180~200亿美元，SiC、GaN电力电子器件渗透率约为4.2%~4.5%，较2019年提升一个百分点。

整体来看，根据CASA的跟踪，SiC、GaN产品的价格近几年来产生了非常明显的下降，2021年较2017年下降了50%以上，而主流产品与Si产品的价差也在持续缩小，已经基本达到3.5倍以内，部分产品已经缩小至2倍，已经达到了性价比的甜蜜点。加上考虑系统成本（包括周边的散热、基板等成本）和能耗等因素，SiC、GaN的模组已初步具备一定竞争力。随着产业链技术的稳步提升和过去几年的产能积累，在电动汽车、光伏逆变、消费类电子等细分市场的渗透速度或将快速推进。

GaN HEMT、Si MOS、SiC MOS应用区别

从晶圆的设计流程看：

（1） SI MOS首先将晶棒进行切割，然后直接在SI片上剖光、最终进行外延，光刻、离子注入扩散、高温退火等工序，做成MOS管。

（2） SI基GaN HEMT首先利用SI衬底上外延生长一系列的III-V族材料（例如AlN, GaN, AlGaN），然后通过光刻、化合物沉积等方式做成HEMT管。

（3） SIC MOS是在升华法生长的碳化硅衬底上利用例如CVD工艺进行同质外延，再采用热氧化，离子注入和刻蚀的方式制成MOS器件。

结合以上信息，我们可以了解到，从材料上来讲，SIC材料最贵，成本也最高。从制成上 GaN的成本高于SI的成本。但是考虑到综合性价比，SIC是适合应用在高温、高压大功率场景；GaN适合应用在小体积、中小功率、高频、高功率密度场合；SI 适合应用在对成本要求比较高的低端消费类电子产品上。

结束语：

第三代半导体材料以碳化硅、氮化镓为代表，极具性能优势第三代半导体材料指带隙宽度明显大于 Si 的宽禁带半导体料，主要包括 SiC、GaN、金刚石等，因禁带宽度大于或等于 2.3 电子伏特，又被称为宽禁带半导体材料。和第一代、第二半导体材料相比，第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速和高键合能等优点，可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及高辐射等恶劣条件的新要求。第三代半导体材料在航空、航天、光存储等领域有着重要应用前景，在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低 50%以上的能量损失，最高可以使装备体积减小 75%以上，是半导体产业进一步跃进的基石。