氮化镓-第三代半导体材料-我们未来的“黄金“

发布于2020-05-14

如果你打开某购物网站,搜索“氮化镓”这个关键词,会发现某品牌的手机充电器竟然有8W+评论。而这个充电背后是GaN(中文名“氮化镓”),一种新型半导体材料。

从今年发布的一些手机来看,快充也逐渐成为智能手机的招牌或者说是“标配”,例如OPPO推出的65W氮化镓快充充电头器快充充电器,小米9 Pro的40W有线充电……

但此前的充电头都面临过一个痛点:功率越大,个头越大。

要弄清手机个头大这个问题,首先要了解材料的功率特性,单位体积的元器件功率转换是定量的,一般来说功率越大,功率元器件的体积越大,如果仅仅为了追求快充功能,将充电头设计成板砖大小,那设计的价值将大打折扣,还不如充电宝使用方便。另一方法,就是寻找高功率且转换效率高的材料,以GaN(氮化镓)为代表的第三代半导体材料开始进入大众的
ANKER首款内置氮化镓元件的USB PD GaN充电器,与苹果的5W充电器相比,并没有大多少,功率却大了5倍以上 ,除了用于充手机,还可以用来充手机、平板、笔记

“GaN”中文名“氮化镓”,是一种新型半导体材料,它具有禁带宽度大、热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性,在早期广泛运用于新能源汽车、轨道交通、智能电网、半导体照明、新一代移动通信等。

随着技术突破成本得到控制,目前氮化镓还被广泛运用到消费类电子等领域,充电器便是其中一项,由于氮化镓的技术门槛高,目前入局氮化镓充电领域的企业尚少,主要包括ANKER 、UIBI柚比、APE、紫米、Aukey等。

1

GaN从哪里来?
氮化镓是由氮元素和镓元素组成的一种化合物半导体材料。氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氮化铝(ALN)、氧化镓(Ga2O3)等,因为禁带宽度大于 2.2eV 统称为宽禁带半导体材料,在国内也称为第三代半导体材料

在半导体业内从材料端分为:

第一代元素半导体材料,如硅(Si)和锗 (Ge);
第二代化合物半导体材料:如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等;
第三代宽禁带材料,如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(ALN)、氧化镓(Ga2O3)等。

基于禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等特性,当前应用主要领域为半导体照明、电力电子、射频微波器件、激光器和探测器件等。

随着成本的下降,GaN有望在中低功率领域替代二极管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件。以电压来分,0-300V是Si材料占据优势,600V以上是SiC占据优势,300V-600V之间则是GaN材料的优势领域。根据Yole统计,GaN器件可以适用于68%的功率器件市场。

在应用领域中领域,半导体照明行业发展最为迅速,已形成百亿美元的产业规模。半导体照明所使用的材料体系主要分为3种:蓝宝石基GaN、SiC基GaN、Si基GaN,每种材料体系的产品都对应不同的应用。其中,蓝宝石基GaN是最常用的,也是最为成熟的材料体系,大部分LED照明都是通过这种材料体系制造的。

在电力电子领域,宽禁带半导体的应用刚刚起步,市场规模仅为几亿美元。由于GaN材料电子漂移饱和速度高,击穿场强大,目前硅基GaN功率器件具有高反向关断电压、更高的工作频率和更低的导通电阻等特性,可使电源做的更小,效率更高,更高的功率密度。半导体在节能领域中应用最多就是功率器件,绝大多数电子产品都会使用到一颗或多颗功率器件产品。数据显示,宽禁带半导体芯片可以消除整流器在进行交直流转换时90%的能量损失,还可以使笔记本电源适配器体积缩小80%。

在开关电源、电动汽车、光伏发电、UPS、数据中心、无线充电,芯片处理器等应用具有非常好的前景。

在射频微波领域,GaN熔点在1700℃,频率目前可达到25G,功率达到1800w,在航空航天,微波雷达,卫星通信,5G通信有非常大的优势。全球有超过30家企业从事氮化镓半导体的研发,其中,实现商业化量产的企业仅有10家左右。

在激光器方面,GaN基激光器可以覆盖到很宽的频谱范围,实现蓝、绿、紫外激光器和紫外探测的制造。紫色激光器可用于制造大容量光盘,其数据存储盘空间比蓝光光盘高出20倍。除此之外,紫色激光器还可用于医疗消毒、荧光激励光源等应用,总计市场容量为12亿美元;蓝色激光器可以和现有的红色激光器、倍频全固化绿色激光器一起,实现全真彩显示,使激光电视实现广泛应用;GaN基紫外探测器可用于导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域,但尚未实现产业化。

在探测器方面,GaN基紫外探测器可用于导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域,但尚未实现产业化。

2

GaN发展概况:

国外先发优势,国内潜力无限

GaN器件产业链各环节依次为:GaN单晶衬底(或SiC、蓝宝石、Si)→GaN材料外延→器件设计→器件制造。目前产业以IDM企业为主,但是设计与制造环节已经开始出现分工,如传统硅晶圆代工厂台积电开始提供GaN制程代工服务,国内的三安集成也有成熟的GaN制程代工服务。(国内GaN企业汇总,可文末查阅)


全球范围内,氮化镓专利申请量排名前四的国家及地区是日本、中国大陆、美国、韩国、中国台湾,其中中国专利量占全球的23%。虽然在专利方面国内有一定有一定优势,但从目前的技术发展状况来说,仍以欧美日企业为主。这和GaN布局早晚有一定的联系,美国和欧洲分别于2002年和2007年启动了氮化镓功率半导体推动计划,我国的GaN研究始于2013年。

GaN衬底主要由日本公司主导,日本住友电工的市场份额达到90%以上。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,国内可提供相关产品的企业有:纳维科技、中镓半导体。

GaN外延片相关企业主要有比利时的EpiGaN、英国的IQE、日本的NTT-AT。中国厂商有苏州晶湛、苏州能华和世纪金光,苏州晶湛2014年就已研发出8英寸硅基外延片,现阶段已能批量生产,2018年12月聚能晶源成功研制了 8 英寸硅基氮化镓(GaN-on-Si)外延晶圆。

GaN器件设计厂商方面,有美国的EPC、MACOM、Transphom、Navitas,德国的Dialog,国内有被中资收购的安谱隆(Ampleon)等。

全球 GaN 射频器件独立设计生产供应商(IDM)中,住友电工和 Cree 是行业的龙头企业,市场占有率均超过 30%,其次为 Qorvo 和 MACOM。住友电工在无线通信领域市场份额较大,其已成为华为核心供应商,为华为 GaN射频器件最大供应商。此外,还有法国Exagan、荷兰NXP、德国英飞凌、日本三菱电机、美国Ⅱ-Ⅵ等。


国内外氮化镓(GaN)产业链代表企业一览表 来源:材料深一度


我的氮化镓发展虽然起步晚,但政策方面在不断加持:

2013年的“863计划”明确将第三代半导体材料及其应用列为重要内容。

2015 年 5 月,国务院印发了《中国制造 2025》,其中四次提到了以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体功率器件。

2015年和2016年国家科技重大专项02专项也对第三代半导体功率器件的研制和应用进行立项。

2017年,北京、江苏、山东和广东等地陆续出台促进化合物半导体发展的62项相关政策。国内已经形成了第三代半导体产业发展的聚集区:京津冀、长三角、珠三角、和闽三角。地方政府出台“十三五规划”、“重点研发计划”、“科技创新规划”中涉及第三代半导体条款的政策有30条。同时我们发现,今年以来无论是地方第三代半导体产业布局还是以第三代半导体为主题的研讨会也在增多。

政策支持新兴高技术产业发展对当地经济结构调整、产业转型升级起到积极的促进作用。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。