首页 / 文章列表 / 文章详情 /

功率芯片晶圆专家交流电话会纪要_2022-06-29

一、第三代半导体介绍
第三代半导体包括碳化硅、氮化镓、蓝宝石、铝氮结构等,其中正式投入商业化应用的主要是碳化硅和氮化镓,其它材料目前尚处于研发阶段,或是由于种种原因无法大规模量产几及商业化应用。
目前实现商业化应用的碳化硅和氮化镓均是新型的化合物材料,主要特点是宽能带、耐高频、高压、高温以及高功率、大电流等。从原子的角度,宽能带体现了原子核束缚电子的能力,使激活电子跃迁所 需的能带更宽,即使在工作电流和功耗较大的情况下,器件均能够保持比较稳定的状态。同时, 第三代半导体材料具有能量转换效率高、功耗低等特点,能量转化效率可达 98%以上。上述优良特点高度符合目前物联网、5G、新能源汽车等的应用需求。
氮化镓是一种特殊的化合物半导体材料,对于设备的精度要求不高,不遵循摩尔定律的发展趋势。相对而言,氮化镓的投资门槛较低,主要集中在前端外延片的制备、氮化镓材料生长、晶圆制造设备等,整体可兼容现有硅晶圆的 4 寸和 6 寸产线。
第一代半导体材料的代表是硅和锗,日常所见的逻辑芯片、存储芯片等基本均是硅芯片。第二代半导体材料的代表是砷化镓,目前主要用于射频天线、射频功率放大器(PA)、滤波器、发光器件、GPS
导航材料等领域,该材料的缺陷在于电子迁移率较低,同时砷有剧毒,容易对环境造成较大的环境污染。第三代半导体以碳化硅、氮化镓为主,具有优良的特性,便于大规模制备,工业化生产条件充裕。氮化镓早期主要用于 LED 发光器件等低端领域,后期向射频器件等中端领域演进,如今则广泛应用于功率半导体。
与第一代、第二代半导体相比,氮化镓在禁带宽度、相对介电常数、绝缘击穿场强等方面均颇具优势。高禁带宽度意味着氮化镓对于电子跃迁的控制能力较强,硅基半导体生产、运用过程中面临的最大问题就是容易被击穿,而氮化镓一般不会面临该问题。硅基半导体很难耐高压,主要因为其禁带宽度和绝缘击穿场强与氮化镓有着明显差异,氮化镓的禁带宽度基本是硅的 3 倍。电压越高,氮化镓的禁带宽度、击穿场强优势越明显,即氮化镓在高压应用方面具有天然的优势。氮化镓的电子漂移饱和速度是硅的 2.5 倍;功率密度大约是 30 倍。功率密度与器件的整体体积相关,功率密度越大,器件最终的尺寸、体积越小。

二、氮化镓功率器件介绍

不同的功率器件适用的频率、功率范围不同。传统的 BJT 双极型器件,适用的频率范围是 1K~ 100K 赫兹,功率范围一般在 1 千瓦以内。氮化镓器件适用的频率范围更高,近年来广为流行的氮化镓快充主要使用了硅衬底的氮化镓器件,显著特点是高频、小功率,恰好符合快充的需求。碳化硅和IGBT 一般应用于 10 千瓦以上的大功率领域。近年来,power system、英飞凌等厂商也研制了大功率的氮化镓器件,目前处于小批量出货阶段,预计未来将成为一个新的焦点,在大功率市场和碳化硅器件直接竞争,而不是仅限于目前的高频、小功率领域。
氮化镓目前的应用场景主要是快充、PC 电脑主板、数据中心、白色家电等。在高功率领域,碳化硅的应用范围更广,但频率低于氮化镓。这两类第三代半导体材料的应用边界相较硅材料均有了极大的延展,突破了硅原有的功率和频率极限。
硅的高压器件一般是垂直型结构,采用超级结技术;氮化镓的能量带隙远大于硅,器件一般是平面型结构。氮化镓功率器件分为源极、栅极和漏极,工作的时候,电子从源极流向漏极,漏极连接高压模块,源极到栅极与栅极到漏极的结构并不对称,栅极靠近漏极的位置有一个长板结构,可压制感应电场提高器件的耐高压特性,正常情况下可承受 1,500-1,600V 的电压。硅器件采用纵向结构,上下垂直,漏极位于器件的背面。立体结构的优点在于可以节省器件体积,但是漂移区域相对较长,整体的导通电流较高。
一般的氮化镓器件均是平面结构,如果想采用超级结技术,则需要做成立体结构,导致很难共用硅基半导体主流的 8 寸生产设备。横向结构符合硅基氮化镓器件整体的耐压需求,生产过程中也很容易制成氮化镓芯片。氮化镓器件是分立器件,集成其他的模组、调控器件等就可以制成氮化镓芯片。
硅基氮化镓器件上下分为多层,顾名思义,该类器件的底层是硅基,由于硅与氮化镓的晶像结构完全不同,材料特性也不同,例如二者的热膨胀系数不同,如果直接接触,在制造过程中温度变化导致热胀冷缩后,很容易出现缺陷,因此二者之间布置了缓冲层。氮化镓层之上是一层氮化铝镓,二者之间可产生激化效应,实现晶体管所需的种种功能。
氮化镓单晶制备目前主要依靠HVPE 氢化物气相外延法,该方法占氮化镓衬底市场的 85%左右。HVPE 法的生长速度较快,设备要求相对简单,商业化制备基本均采用该方法。其缺陷在于仅限于 LED 应用,2 寸和 4 寸产线居多,6 寸还在研发中。氨热法的缺陷密度较低,但是单晶生长速度慢,供货能力不足导致其商业化应用困难,且主要为小尺寸制备。氮化镓单晶还可以使用钠熔法,但由于种种缺陷也并未成为主流。
HVPE 法的原理是,在高温的分段加热炉中喷入雾化的盐酸气体,反应形成氯化镓;在高温反应炉里充分混合,最终在衬底或外延面与氨气置换,生长温度大约为 900-1,100 摄氏度。
氮化镓器件的生产、应用路线如下:基于氮化镓单晶生长设备和材料制备氮化镓单晶,随后在单晶上制作外延片,此后便是芯片的结构设计与常规的芯片制造缓解,与传统的硅基器件制造相似。但是在封装测试领域,由于氮化镓坚硬、易裂,划片的时候可能出现较多裂痕,需要格外小心,目前业内主要使用激光切割划片。
氮化镓国内供应链介绍:生产设备企业的代表是北方华创、中微、上海的万业企业,测试设备企业 的代表是华测检测、华峰测控和芯源微;衬底厂商的代表是天科合达、山东天岳、纳维科技和中镓半导;设计企业的典型是华为海思、中兴、安谱隆以及优镓科技,其中优镓科技是一个新近成立的企业;晶圆制造企业有三安集成、海威华芯、方正、福联集成等;封测测试企业主要是长电科技和天水华天华天。中电 13 所、55 所、英诺赛科、华功半导体等则是 IDM 企业的代表,涵盖外延、设计、制造以及封测等半导体的全产业环节。目前,国内能够稳定出货排名第一的企业是英诺赛科,出货量已达全球前三,市占率约为 20%。应用端主要是手机厂商,如 OPPO、小米、华为,以及LED 照明企业。
氮化镓国外供应链介绍:衬底厂商的代表是日本著名材料厂商,如三菱化学、住友电气,以及美国、俄罗斯的部分企业;外延厂商主要是美国科瑞、日本住友、台湾嘉晶、比利时 EpiGaN 等;设计厂商中 EPC、Navitas,GaNSystems 比较出名;晶圆制造企业包括世界先进、台湾稳懋、台积电等;封装测试厂商有美国安靠、日月光等。应用端的恩智浦、爱立信用量较大,其射频产品目前使用氮化镓替代 硅基半导体的比例已达 60%以上。

三、氮化镓发展现状

氮化镓最早应用于 LED 领域,随后扩展至射频领域,进一步扩展并大规模应用于功率半导体领域。
氮化镓器件的最底层一般是硅基,经过一定的缓冲层后铺设纯度较高的氮化镓外延。氮化镓器件的衬底一般是碳化硅、硅、蓝宝石和氮化镓 4 类,目前以碳化硅和硅基为主。碳化硅基的优点是缺陷少,缺点是生长速度慢,成本高,衬底不易制取。硅基成本较低,但是在技术发展成熟之前,产品缺陷较高。目前,硅基衬底发展态势良好,市场规模总体呈现指数上涨的趋势,碳化硅衬底的发展则是趋于平稳。
碳化硅衬底的价格随技术的成熟度、单晶生长速度的提升而逐渐下降,但即便如此,碳化硅基衬底仍比硅基衬底昂贵许多,这也是目前限制碳化硅基衬底进一步大规模商业应用的原因,市场尤其是消费市场目前对于硅基衬底的接受度更高。
氮化镓产品主要分为5类:消费类、计算、汽车电子、新能源和射频。消费类是氮化镓最大的市场,包括手机、LED 照明、快充产品等多种细分领域,手机领域的典型应用包括电路板、手机接口等, 典型产品是OPPO、荣耀等使用的低压 40V 氮化镓器件;PC 领域,联想此前少量使用了氮化镓产品;LED 市场规模较大,尤其是 Micro LED 的增速较快,且替代硅芯片的整体技术方案趋于成熟,典型产品是650V的氮化镓HEMT 晶体管;快充领域,650V、15-120W的氮化镓充电器较为常见,且目前功率已逐渐发展至 65-120W,早期则多为小功率产品。
计算领域的典型代表是人工智能和数据中心。其中,人工智能领域的产品相对较少;数据中心目前是低压氮化镓的主要市场,因为数据中心需要连续不间断地快速运转,传统的硅器件热功耗较大, 且器件的耐久性、使用寿命不如氮化镓,难以满足数据中心长时间快速运转的要求。
汽车电子领域,氮化镓主要应用于 power supply 部分,电压为 48V,市场规模较大,许多汽车电子 48V 电池的供电管理均需要氮化镓器件;马达驱动、E-bike、650V OBC(车载充电器)的市场规模也比较可观。
新能源分为PV(光伏)和储能两部分,其中 PV 领域广泛使用 100V 的氮化镓HEMT 晶体管;储能领域暂未使用氮化镓产品。射频领域包括雷达和 5G,雷达主要应用于自动驾驶,5G 则主要应用于射频天线。
氮化镓 LED 采用典型的 PN 结结构,中间布置了发光的反光层,下方是 n-GaN,中间夹层是 GaN 的多量子阱,在热源驱动下可以发光。氮化镓 LED 的市场规模正不断扩大,全球市场均已进入快速的增长期。2026 年,全球 Micro LED 的出货量将达到 0.15 亿片,2027 年的市场规模可达 718 亿美金, 潜力巨大。LED 的价格敏感性较高,硅基产品经过多年的发展,技术成熟,产品成本较低,良率较高, 综合性价比处于较高水平;氮化镓想要完全取代硅基产品,首先需要提高性价比,即降低单片的生产成本。Micro LED 的另一个相对高维度的应用是智能手表、AR、VR 等智能穿戴设备,该领域价格敏感性较低,对于目前的氮化镓产品的接受度更高。
目前,中国主要是京东方、友达、晶电隆达、三安光电等在布局氮化镓 LED 产品,日韩则是三星、索尼京瓷、首尔半导体;欧美则是CREE、苹果。
5G 通信对于射频前端的频率和效率有着严格要求,数据流量的增长也是的调制解调的难度增加。同时,5G 通信的出现,意味着通信频段增加,射频前端器件的效能需要随之增加,即需要高频的射频器件。第三代半导体的优点是高频和高功率,能够满足大容量通信技术的要求。另外,目前广泛使用的载波聚合技术也使得移动基站和智能手机对射频前端需求量成倍增加。
5G 发射微波信号采用高频波段,频段越高,通信基站越密集,因为高频波的直线传播性能较好, 但是绕射能力不足,所以需要密集的基站保证通信质量,5G 的大规模应用意味着基站数量成倍增加。射频前端器件早期主要采用硅基的 LDMOS 和砷化镓器件,但这两种器件的工作频率、带宽以及功率无法满足 5G 技术的要求,氮化镓射频器件无疑成为了刚需。业内正持续优化氮化镓射频器件的性价比和技术,未来将对第一代的锗、硅和第二代的砷化镓形成一定的降维打击。
氮化镓射频器件主要有三类:4G 的宏基站以及大功率的功放管、5G 基站前端的天线模块、氮化镓高频段的MMIC(微波集成电路)。氮化镓的高频、高功率、宽禁带特性,符合 5G 通信系统的要求。5G 高速发展之后,通信频段还会进一步向高频段扩展,基站和移动终端的传输速度会持续加快, 调制解调技术所需的频率将不断升高,氮化镓高频小功率的特性,恰好满足通信技术和基站的上述需求。
氮化镓在 5G 射频中的优势主要体现性在能和外观尺寸上,即高效率、大功率、小尺寸、宽禁带、高强度、耐高压、高电流密度、高频、低电容、低阻抗。5G 是高频通信,能量消耗较大,器件在工作过程中将持续对外散热,自身也在发热,类似于充电器使用越久温度越高。由于半导体的材料特性, 温度越高则阻抗越高,最终导致器件整体的使用寿命和充电效率下降。氮化镓可以稳定工作在 150 摄氏度及以上的环境下,因为材料的电子跃迁能力控制度较高,且氮化镓整体的电子迁移速度更快,整体能级与硅材料相差较大。

四、氮化镓前景

氮化镓在基站中使用的比例正逐渐增加:预计 2022 年全球 4G、5G 基站的市场规模将达到 16 亿美元。目前,5G 毫米波频段射频前端模块的复合增长率达 119%;多国也开始了用于 6G 频段的射频器件的研发,复合增长率约为 135%;用于宏基站的氮化镓射频器件的年复合增长率约为 33%;4G、5G 的小信号器件复合增长率约为 16%。
氮化镓射频器件市场将持续增长,国防、无线通信领域对于氮化镓的需求均在稳定增长。2018~ 2024 年,氮化镓射频器件整体的复合增长率预计为 21%,2019~2025 年封装的氮化镓设备整体年复合增长率将达到 12%,带动全产业链的发展。氮化镓毫无疑问会取代砷化镓在高功率、高频市场的地位;在有线电视 CATV 和民用雷达领域,氮化镓也比 LDMOS 先进,后者的性能还不如此前提到的垂直结构的超级结MOSFET。总体而言,对于氮化镓射频器件需求最大的是国防和通信基站市场。
氮化镓射频器件主要的生产企业为日本住友、美国 CREE、美国 Qorvo。氮化镓射频器件对于性能敏感,但对于价格不敏感,因此主要使用碳化硅衬底。CREE 是目前全球对于碳化硅衬底研究最深入,技术最为成熟的企业,国内的代表厂商是海威、华新、三安集成。
基站射频器件领域,氮化镓、LDMOS、砷化镓三种工艺的技术含量相对较高,目前国内尚处于 起步阶段,产品主要从恩智浦、英飞凌等企业进口,英飞凌是射频和功率器件领域的龙头企业。国内射频器件厂商基本均是设计公司,例如和而泰、三安光电、海特高新。华为海思受制于海外制裁,其自研 芯片部分在武汉光谷生产,最近也在招兵买马,扩充实力。恩智浦是IDM企业,收购 Freescale之后, 在全球基站射频器件领域排名第一,封装规模持续增长。封装在氮化镓器件的成本中占比较高, 主要原因是不能与现有的硅芯片共用封装产线。
砷化镓射频器件的代表是高通、Qorvo、skyworks 等。和而泰收购铖昌科技进军 5G 射频市场, 主要原因是看见了该市场巨大的发展前景,和而泰目前主要在开发 5G 毫米波芯片,力争在 5G 毫米波这一新兴市场占据一定的市场地位。
Yolo 数据显示,氮化镓在功率半导体市场的增速较快,2026 年,预计氮化镓功率半导体的市场规模将达到 11 亿美元,其中 61%来自消费和快充市场,其它代表性市场包括工业类、电信和数据中心、汽车电子、能源、照明等。
消费市场的亮点是快充,目前已经被苹果、小米、三星、OPPO 等主流厂商广泛应用。2022 年, 氮化镓快充市场规模还相对较小,仅有 2.5 亿美元,此后几年将飞速发展,并在 2025 年达到 6 亿美元左右,同时在 2025~2030 年间实现指数型增长。消费市场的氮化镓器件生产技术经历过一定的变化,早年间,由于硅和氮化镓的材料特性不同,尤其是前文提到的热膨胀系数,导致氮化镓在硅基衬底上生长颇为不便。随着技术的突破,硅基氮化镓的生产技术瓶颈已然不再,器件价格随之降低。目前, 硅基氮化镓器件与主流硅基器件的价格比大约为 1.2:1,氮化镓器件已具备足够的价格和性能优势。但是碳化硅基氮化镓目前还是比较昂贵,短期内不利于大规模商业化应用。
硅基氮化镓器件结构介绍:最底层是硅基外延层;上面是硅基与氮化镓的缓冲层,用于缓解两种材料特性不同带来的缺陷问题;再之上是氮化镓层,各层之间还有许多复杂的技术。总体而言,外延层大约为 5-6 微米厚,中间会穿插一些材料以调节、防止电子逃逸,实现电场和电流的管控。目前主流氮化镓器件的栅极都是p-GaN,也称为 E mode,如果使用另一种即 D mode,虽然可以获得大的饱和电流和功率,但是失去了氮化镓最重要的高频特性。实际上,如果使用 D mode,氮化镓就沦为了硅基IGBT 一类的器件,发挥不了材料本身的特性。
目前全球氮化镓市场的年增长率约为 70%。Navitas2020 年的市占率为26%,2021 年上升至 29%,取代了PI 成为全球市占率最高的企业;PI 的市占率由 2020 年的 27%下降至 24%;值得一提的是,国内厂家英诺赛科的市占率从 2020 年的 6%提升至 2021 年的 20%,主要得益于苏州工厂快速的产能释放。该公司采用 IDM 模式,最早的研发中心在珠海,目前在苏州设立了一个新的研发基地和一个晶圆厂,产能规划是每年 6.5 万片左右,目前正处于产能爬坡期;排名第四的是 EPC,市占率从 2020 年的 21% 下降至 2021 年的 14%;第五是 Transphom,市占率从 2020 年的 8%下降至 2021 年的 6%; 第六和第七分别是英飞凌、GaN Systems,市占率均在下降,前者从 2020 年的 5%下降至 2021 年的3%,后者则是从 6%下降至 3%。
Navitas 目前的市占率全球第一,其拥有特色 GaN Fast power ICs 设计方案和良好的供应链合作关系, 目前是消费市场中的第一大供应商,已经和全球知名手机 OEM 展开合作,如戴尔、联想、LG、小米、OPPO,快充 IC 的订单也在持续增加。该公司此前在台积电晶圆 2 厂的 6 英寸产线投片,今年下半年将 转至 8 英寸产线,以缓解产能紧缺问题。国内的三安集成也是其意向代工厂之一。另外,数据中心可能将成为Navitas 的优先切入点,预计 2022 年会投入相应产品,部分国内厂商也在布局该领域。
PI 是一家老牌厂商,在氮化镓功率器件市场长期占据主导地位。今年,PI 推出了基于PowiGaN 技术的新一代InnoSwitch4-CZ 系列芯片,搭载至Anker 65W 快充等产品,取得市场一致好评。
目前,在国内包括国际市场上,基于其高频、高功率特性,氮化镓取得了普遍应用。但是从技术的角度,下游市场目前仍处于培育期,相关技术也在不断出现新的突破。功率半导体和射频市场对于器件的性能有较高的要求,如果硅基器件无法继续提高性能,即到达了材料特性的瓶颈期,则很难满足目前 5G、物联网、射频天线、新的调制解调技术等的要求,必须有新的材料替代硅在该领域的地位。
从这一角度出发,第三代半导体的发展具有核心价值。但是新材料的下游应用需要逐步推广,以目前氮化镓主要下游市场快充领域为例,真正需要氮化镓的硬性需求有限,部分产品需要替代现有的成熟的硅基器件,市场接受度、下游客户对于氮化镓的信心还需要一定时间去培育。简言之,氮化镓技术正处于飞速发展期,但是市场还处于培育初期。目前,我国的氮化镓产品正逐渐从小批量研发向大规模商业化应用转变,也有部分产品实现了批量出货,例如英诺赛科已经从 2、3英寸的产线向 6、8英寸进军,该公司也是国内第一家正式量产 8英寸氮化镓晶圆的企业,这对我国半导体产业具有重要意义,意味着我国在该领域能够与国际先进水平齐头并进,甚至有望实现弯道超车。
氮化镓射频器件是5G发展的刚需,这一领域具有广阔的市场前景,但是碳化硅衬底的成本和技术成熟度也限制了相关产品的市场推广和发展。
功率器件领域,快充将成为最大的增长点,但氮化镓功率器件不会仅用于快充领域,这只是突破点之一。此后,LED、数据中心、消费电子、电动马达、小玩具等都会逐渐接受氮化镓功率器件,市场将快速成长。早期,氮化镓主要面向高端领域,目前则逐渐下沉,希望能够广泛用于消费市场。但正如前文所述,消费市场是电子元器件最大的下游市场,价格敏感性较高,产品主打性价比,氮化镓需要提高自身性价比才能在该领域具有足够的竞争力。
总体而言,基于材料特性优势,氮化镓市场未来将高速增长。2020 年前后,我国将第三代半导体产业列为“十四五”期间的重点扶持项目,国内也随即出现了诸多产业项目,但是各厂商的技术水平参差不齐,哪一家能够脱颖而出还要拭目以待。
Q&A

1. 当前全球氮化镓产能和需求错配吗?

当前全球氮化镓产能释放较快,而需求尚未大规模释放,因此存在一定的错配。正如前文所述, 氮化镓目前处于市场培育期,技术飞速进步,但是市场接受度、产品替换意愿较弱,具体与客户体量有关,越大的企业,产品替换的时候越保守,因为要衡量供应链的稳定性。

2. 怎么看蓝宝石衬底氮化镓的技术优劣势?

蓝宝石衬底只能用于 LED 等中低端领域,因为其晶像结构与氮化镓的匹配性较低,整体缺陷密度较大,无法制成高压、大功率器件,只能用于制作中低功率器件。

3. 氮化镓在汽车领域有哪些应用?

氮化镓在汽车电子领域的应用非常广泛。在 power supply 领域,48V 的电池管理对于氮化镓需求旺盛,当前硅基功率半导体广泛应用于这一领域,如果氮化镓可以提高可靠性、热稳定性,将拥有很大的替代空间。此外还有 OBC、Ebike 的马达驱动等,需求均比较可观。

4. 5G 基站已经进入建设尾期,每年建设预算逐步减少,碳化硅基氮化镓厂商还有生存空间吗?

仅有部分地区的 5G 基站建设进入尾期,放眼全球,仅部分国际化的大城市进入尾期,广大的发展中国家或地区、欠发达地区等还在进行 5G 基站建设,市场空间较大。另一方面,5G 基站对于氮化镓器件的需求量非常大,随着毫米波及更高频率的通信频段投入使用,后续的基站建设还会密集进行。5G 并不是通信技术的终点,而是一个过渡点,后续还有 6G 等更多样的技术,且越往后频率越高,波长越短,数据链的处理能力越强,基站建设密度更大。由此可见,碳化硅基氮化镓厂商还有很大的生存空间,且射频领域也有很大的需求。

5. 上游高纯镓的主流供应商有哪几家?制备技术难度如何?

目前 4、6 英寸的高纯镓很多厂商均可以生产,但是能够量产 8 英寸高纯镓的厂商不多,已有的产品缺陷过多难以满足要求。

6. 如何评价西电郝跃院士的团队在氮化镓领域的技术实力,以及其孵化的格晶科技?英诺赛科目前在国内一家独大,其它企业是否还有机会?

专家对格晶科技了解不多,如果是一家新的企业,或芯片设计企业,可能还有很长的一段路要走。英诺赛科目前是自研自产自销的IDM 模式,出货量国内最大,市场目前处于供大于求的状态。

7. 在 IDC 服务器领域、汽车领域氮化镓产业化需要等多久?

目前宁德时代的一些汽车电源管理产品已经在使用氮化镓器件,目前处于前期的试样阶段,也取得了部分订单,预计不久就可以实现产业化。

8. 国内哪家厂商e-mode 做得比较好?

目前而言是英诺赛科,出货量比较稳定。国际市场则是台积电,产品整体的工作状态较好、饱和电流较大。

9. High power GaN 是哪家海外厂商在做?

Power Systems。

10. 英诺赛科有进车汽车电子的计划和实力吗?

英诺赛科已经与几家头部车企合作,相关项目的优先级较高,合作双方均颇为重视。

END