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第三代半导体材料GaN开始征战四方

2019年10月09日 文章来源:网络整理 热度:79℃ 作者:刘英

近年来,半导体行业一路风驰电掣,好不风光。根据WSTS统计,从2013年到2018年,全球半导体市场规模从3056亿美元迅速提升至4688亿美元,年均复合增长率达到8.93%。在市场爆发式增长下,技术也在更新换代。随着Si和化合物半导体材料GaAs在器件性能的提升到了瓶颈,不足以全面支撑下一代信息技术的可持续发展时,寻找新一代半导体材料成为了发展的重要方向。至此,第三代宽禁带半导体材料氮化镓(GaN)闯入了人们的视线!

第三代半导体材料GaN开始征战四方

GaN的崛起之路

此后,被奉为第三代半导体材料GaN开始征战四方,“拳打”同属第三代的碳化硅(SiC),“脚踢”第二代砷化镓(GaAs),纵横半导体市场多年,受尽人们宠爱,靠的是其禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越性质,还有最重要的成本和兼容性。目前主流的GaN技术厂商都在研发以Si为衬底的GaN的器件,以替代昂贵的SiC衬底。不过话虽如此,属于“高配”的SiC衬底一样有自己的市场,SiC衬底氮化镓可以提供最高功率级别的氮化镓产品,可提供其他出色特性,可确保其在最苛刻的环境下使用。在兼容方面,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。比如有厂商已经实现了驱动IC和GaN开关管的集成,进一步降低用户的使用门槛。再有5G的落地,作为关键材料GaN成为了越来越多企业眼中的“宠儿”。

第三代半导体材料GaN开始征战四方

值得一提的是最开始GaN并未用于半导体技术,而是大家都耳熟能详的LED,其有效成分就是GaN,那么为何LED的成熟技术成为了半导体未来的新材料呢?因为随着半导体工艺的发展,全部使用硅基器件过于昂贵,这对一个成熟的产业来说是不必要的。氮化镓比硅基器件贵,但是在系统整体的成本上相差无几,大规模量产后GaN无论是性能还是成本都更胜一筹。

经过了多年的探索和研究之后,氮化镓(GaN)等宽禁带材料终于进入了大爆发前的最后冲刺阶段。尽管与32.8亿美元的硅基功率半导体市场相比,目前功率GaN市场仍然很小,但GaN器件拥有较好的前景。但是面对这个十亿美元级别的市场,国内外厂商正在摩拳擦掌,纷纷推出新品,以求在这个市场与竞争对手一决高下。

行业巨头们的GaN发展现状1英飞凌

全球领先的功率半导体供应商英飞凌在功率半导体及智能卡IC市场上一直占据全球第一的位置,在高压电源技术方面遥遥领先,CoolMOS、IGBT、CoolGaN、CoolSiC等等都有完善的解决方案。2018年11月28日英飞凌更是在深圳首次召开了CoolGaN氮化镓的媒体新品发布会,并带来了CoolGaN 400V和600V增强型HEMT已经量产的消息,且已经有合作公司成功设计了一款基于GaN的6KW ACDC电源。至此,英飞凌成为了市场上唯一一家提供涵盖硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等材料的全系列功率产品的公司。

第三代半导体材料GaN开始征战四方

按照英飞凌大中华区副总裁电源管理及多元化市场事业部负责人潘大伟的说法,英飞凌的GaN增强模式高电子迁移率晶体管( E-HEMT )产品系列CoolGaN™非常适合高压下运行更高频率的开关,可以将整个系统的成本降低,可以做到更轻薄设计、功率密度扩展,使转换效率大大地提高。其采用独一无二的常闭式概念解决方案,从技术的根本上解决了动态RDS(ON)问题。贴片式(SMD)封装保持了氮化镓的优势。更值得一提的是关于CoolGaN™ 的制造,英飞凌具备完整的价值链,从工艺层到封装、测试等等都可以在英飞凌内部完成。

2Qorvo

在5G的大趋势下,射频氮化镓市场的飞速发展。现阶段在整个射频市场,LDMOS、GaAs和GaN几乎三分天下,但是与其他两类相比,氮化镓器件能够为射频技术提供下一代高频电信网络所需的功率/效率水平。据相关机构分析,RF GaN整体市场规模到2024年将增长至20亿美元。射频领域的龙头企业Qorvo从1999年起推动GaN研究,提供Sub-6GHz、厘米波/毫米波无线射频产品。Qorvo在国防和有线行业的GaN-on-SiC解决方案供应量全球第一。2018年12月推出了行业首款 28 Ghz 氮化镓 (GaN) 前端模块 (FEM)——QPF4001 FEM,扩大了其 5G 业务范围。

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