SiC/GaN前沿趨勢大論劍!這場會議干貨來了

作者 | 發布日期 2023 年 08 月 07 日 16:40 | 分類 研討會

隨著全球宏觀環境的逐步恢復,SiC/GaN等第三代半導體產業于2023年邁向新的發展高峰,持續攪動新能源汽車、光伏儲能、工業電源、通訊基站等高壓高功率應用領域的一池春水。

值此之際,TrendForce集邦咨詢于6月15日在在深圳福田JW萬豪酒店成功舉辦“2023集邦咨詢第三代半導體前沿趨勢研討會”,匯聚了海內外第三代半導體先進企業代表,以及科研院校和媒體界的眾多菁英,共同探討第三代半導體產業的現狀,展望未來?,F場座無虛席,與會者熱情高漲,映射了第三代半導體領域的繁榮景象。

會議伊始,集邦咨詢總經理樊曉莉女士發表致辭,她向所有參會嘉賓及線上的聽眾表示誠摯的歡迎和衷心的感謝,并表達了對的第三代半導體產業發展的美好祝愿。隨后,第三代半導體領域的行業專家與集邦咨詢分析師相繼發表精彩演講,演講精華匯總如下。

北京大學

以GaN、SiC為代表的第三代半導體有許多不可替代的優異性質,應用領域廣泛,是國家重大需求和國際高科技產業競爭的關鍵領域之一,正處于產業化的關鍵窗口期,因此受到了學術界、產業界、中央和地方政府,甚至金融投資界的高度重視。

第三代半導體材料和器件在光電子、射頻電子和功率電子領域有著豐富的應用場景,且有其不可替代性。

我國在上述三個領域均建立了較為完整的研發和產業體系,半導體照明產業規模已居世界第一,但整體上第三代半導體技術與國際頂尖水平還有3-5年的差距。

可喜的是,國內第三代半導體產業在研發與產業兩個領域皆有了實質性的突破。其中,科研機構領域已具備全創新鏈研發能力,而第三代半導體全產業鏈也已基本形成, 布局比較完整。并且,科研院校與企業之間的合作也更加緊密了,未來有望加速研發成果的轉化。

北京大學多年來在GaN基第三代半導體領域已經取得了重要的成果,并在開始實現產業應用。近年來在Si襯底上GaN材料外延和功率電子器件研制上取得了在國內外有一定影響的成果,正在全力推進產業化應用。

北京大學教授、寬禁帶半導體研究中心主任 沈波

華燦光電

在手機、計算機的帶動下,GaN快充市場發揮出巨大的市場營銷能力,尤其以65W-100W為主流。2023年,隨著更多廠商的積極投入,GaN的市場關注度進一步提高,帶動了3C電源、數據中心、電動汽車、光伏儲能等相關廠家的驗證使用。

然而,GaN目前也處于發展的萌芽期,仍面臨同質襯底生長、可靠性不佳等技術問題,限制了生產良率和商用化發展。其中,GaN器件特性由外延結構決定,器件的可靠性則與材料質量緊密相關。目前,GaN襯底仍在開發中,市場上尚未有成熟的GaN襯底,只能使用硅和藍寶石等異質接面襯底,而這些導致了GaN器件特性不佳。

自2020年進入GaN電力電子領域以來,華燦光電依托其在LED芯片在GaN材料和器件領域的積累,積極展開技術研究與產品開發。在自有外延方面,華燦光電于2022年啟動了6英寸藍寶石襯底研發,初步完成650V GaN-on-Si for D-mode&E-mode的外延片研發和流片。在器件方面,完成了650V GaN產品的小批量出樣和測試,650V GaN HEMT和demo board出樣。

按照計劃,華燦光電的GaN產品將逐步從650V向900V,再到1200V的路徑發展,并會規劃低壓產品以擴充產品線。

華燦光電 氮化鎵電力電子研發總監 邱紹諺

英諾賽科

功率半導體是能源電子的核心支撐,隨著終端應用要求的升級,功率半導體技術持續迭代,更多先進的材料逐漸崛起。其中,GaN在經過多年的技術積累和市場驗證后,性能、成本、供應、應用生態及可靠性等各方面的優勢開始顯現,可以說,屬于GaN的時代來了。

近年來,GaN已經開始從低功率消費電子市場轉向高功率數據中心、光伏逆變器、汽車、通信電源等市場,這些應用對功率密度、能效、開關頻率、熱管理、可靠性及尺寸等都提出了更高的要求,而GaN因具備寬禁帶、高頻率、低損耗、抗輻射強等優勢,正好滿足了各種應用場景對高效率、低能耗、高性價比的要求。

面對前景廣闊的功率應用市場以及愈加激烈的市場競爭,GaN廠商在產品性能和產能供應方面的競爭力尤其關鍵。英諾賽科作為全球少數擁有完整產業鏈的GaN IDM企業,在核心技術創新、產能供應穩定及規模成本方面有著獨特的優勢,已在消費電子、光伏儲能、汽車、數據中心等領域取得開創性的成果。目前,英諾賽科的InnoGaN氮化鎵功率器件已覆蓋高壓、低壓等全電壓范圍,GaN芯片出貨量已超1.7億顆。

英諾賽科 產品應用總監 鄒艷波

納設智能

外延生長是碳化硅器件制造的核心環節,其外延質量和缺陷率將直接影響著器件的性能和良率,碳化硅外延生產成本約占碳化硅器件總體成本的23%。因此,外延設備及其制備技術起到了關鍵的作用。

現階段,碳化硅外延層的制備方法主要以化學氣相沉積(CVD)為主,其中,CVD法具有可以精確控制外延膜厚度和摻雜濃度、缺陷較少、生長速度適中、過程可自動控制等優點,是目前已經成功商業化的碳化硅外延技術。

目前,碳化硅本土產業化時代已經到來,快速發展的下游應用極劇拉動了產業的發展,其中,納設智能開發了中國首臺完全自主創新的碳化硅外延CVD設備,具備工藝可調性高、耗材成本低、維護頻率低等優點,助力了碳化硅關鍵設備的本土化發展。自2021年第一臺設備出廠,截至目前,納設智能已與10+客戶簽署銷售合同,已獲150+臺訂單。

納設智能 CEO 陳炳安博士

國星光電

SIP(系統級封裝)技術是通過將多個裸片及無源器件整合在單個封裝體內的集成電路封裝技術。在后摩爾時代,SIP技術可以幫助芯片成品增加集成度、減小體積并降低功耗,應用市場廣泛覆蓋消費電子、無線電子、汽車電子、醫療電子、云計算及工業控制等。

GaN的本質是一個開關管,實現特定的功能離不開對GaN開關管的控制,而控制行為在電路中屬于邏輯部分,將邏輯電路和功率電路進行合封是一個很高難度的挑戰?;赟IP封裝的GaN解決方案能夠助力LED驅動電源在性能和成本上進一步升級。

面向LED應用下游,GaN正在掀起LED驅動電源領域的新浪潮。在此背景下,國星光電旨在做一顆具備特定功能的GaN開關器件,幫助簡化開關電路。

目前,公司已開發出多款基于SIP封裝的GaN-IC產品,并配套開發出相應的GaN驅動方案,可在LED照明驅動電源、LED顯示器驅動電源、墻體插座快充、移動排插快充等領域得以應用。依托成熟且強有力的研發團隊,未來公司GaN產品將在SIP封裝這條路上走得更遠,助推LED驅動電源行業的升級。

國星光電研究院三代半研發總監 成年斌

天科合達

在雙碳建設驅動的能源革命大潮下,新能源汽車、光伏儲能等市場呈現大幅成長的趨勢。在綠色生態鏈中,SiC發揮著重要作用,也面臨著更為嚴苛的要求。

其中,SiC襯底作為價值最重、工藝難度和門檻最高的環節,面臨著較大的挑戰。就成本來說,襯底成本占據整個產品制作的50%左右,也因此,8英寸襯底因有效利用率高,有助于產業鏈實現降本增效的目標,已成為SiC領域的“兵家必爭之地”。

近年來,8英寸襯底產業進入發展快車道,國際器件廠均有重要布局。而我國在SiC領域推出了許多扶植政策,進一步推動了國產半導體產業的自立自強,SiC產業鏈也因此受益。在此背景下,國內已有約10家企業在8英寸襯底領域取得了突破性進展,如天科合達。

天科合達于2022年成功對外發布了8英寸襯底,目前各項指標均處于行業領先水平,目前產品已實現了小批量供貨。產業布局上,天科合達的業務已涵蓋SiC單晶生長設備制造、SiC原料合成、襯底制備和外延生長。未來,伴隨著控股公司重投天科項目的投產,天科合達的產線布局也將更加完整。

天科合達 研發總監 婁艷芳

芯聚能

隨著全球節能減碳計劃的推廣、消費需求的升級及汽車電氣化進程的提速,車規級功率半導體需求逐漸攀升,而第三代半導體SiC材料因具備禁帶寬、熱導率、飽和電子漂移速率及抗輻射性能高,熱穩定性和化學穩定性好等優良特性,近年來備受青睞。

在電動汽車上,SiC器件的主要應用場景包含OBC、車載空調、主驅逆變器。鑒于車載要求小體積、輕量化、高效率、高可靠性,OBC應用可以較好地呈現出SiC的價值。

隨著電動汽車架構加速邁向800V電壓平臺,傳統的硅基功率器件方案很難滿足純電車對能耗的要求,并且電動汽車中空調系統的能耗占比較高,僅次于動力能耗,所以SiC MOSFET將成為電動空調壓縮機控制器的首選方案;同時,SiC MOSFET用在主逆變器中,有助于800V平臺車型總體效率提高6-8%。

芯聚能SiC產品在電動汽車客戶認證進度上已實現國內領先,2022年車規級模塊累計上車超過1萬塊,累計交付超過5萬塊。產業鏈協同上,芯聚能已與策略伙伴形成了從襯底材料、晶圓和芯片、封裝和模塊到電驅控制充電系統的垂直聯動,優勢將逐漸凸顯。

芯聚能 高級總監 王亞哲

Wolfspeed

在汽車電氣化、可再生能源發展及數字化大潮下,新能源汽車、工業、軌道交通及通訊基站等高壓高功率應用對功率半導體器件提出了更高的要求,而傳統硅基功率半導體器件的電能變換效率已經達到理論極限,因此,SiC等第三代半導體材料的應用潛力逐漸被挖掘。

相比硅基功率半導體,SiC功率器件能夠實現更低的導通損耗和開關損耗,轉換效率更高,有利于光伏逆變器、服務器電源、汽車充電樁等提升系統效率,減少系統體積和重量,節省系統成本。而隨著800V汽車架構平臺等更高壓應用的進一步發展,更高壓SiC功率器件的需求也逐漸增長。在此背景下,1200V SiC MOSFET開始嶄露頭角。

Wolfspeed作為SiC功率器件頭部廠商,已推出第三代 SiC MOSFET產品,可提供優異的性能和可靠性,能夠充分滿足工業、能源、汽車等眾多應用的要求,賦能新能源領域應用的創新和優化。目前,其1200V SiC MOSFET產品已拓展了車載充電器、DC-DC轉換器、充電樁、燃料電池、光伏逆變器等應用,助力提升系統效率和功率密度,比如,基于Wolfspeed 1200V SiC MOSFET的DC-DC轉換器,效率可提升到98.5%。

Wolfspeed 高級應用工程師 陳建龍

爍科晶體

SiC具備耐高壓、耐高溫、高頻率、大電流、低損耗等特性,在電動汽車、充電樁、光伏儲能、軌道交通及智能電網等領域有著巨大的應用潛力。

然而,SiC目前仍處于初步發展階段,還有一系列難題亟待解決。其中,SiC單晶的制備一直是全球性技術難題,比如需要應對點線面體多種缺陷問題;而高穩定性的晶體生長工藝是其中最核心的技術,物理氣相傳輸法則是目前成熟高、可實現產業化大規模生產的SiC單晶生長方法。

材料方面,8英寸襯底具有更高的芯片利用面積和更低的成本等優勢,將改變市場格局。目前國內外廠商均在積極布局,國內方面,未來有望在產業鏈上下游的深度協同合作下,加速原材料國產替代的進程。

作為主力軍之一,爍科晶體擁有覆蓋SiC生長裝備制造、高純碳化硅粉料制備工藝、SiC單晶襯底制備與加工工藝的自主研發生產能力,已突破晶體生長、切割拋光等關鍵技術,粉料純度達到99.9999%,并實現高純度SiC單晶的商業化量產,且已成功實現8英寸SiC單晶研制,攻克了大尺寸籽晶獲得難、晶體生長面臨的應力大及晶體開裂等問題,產品已實現小批量生產和銷售。

爍科晶體 總經理助理 馬康夫

AIXTRON

化合物半導體技術正在撬動電力電子、光電子、半導體顯示等多元的應用市場,未來幾年,化合物半導體的整體市場規模都將呈現逐年增長的趨勢,其中,電力電子領域表現尤為強勁,意味著SiC、GaN的需求將迎來廣闊且快速的增長,也意味著大規模量產的需求也更為迫切了。

SiC、GaN正在和傳統的Si材料激烈地競爭,新材料在原有的材料物理特性優勢上,其生產過程需要滿足和Si半導體工業匹配的流程,即高度自動化和智能化,只有這樣才能滿足終端用戶對成本和良率的要求。在整個生產環節中,外延片是承接襯底與芯片的關鍵環節,這一環涉及的均勻性與缺陷密度是后端器件的良率和成本的關鍵影響因素,換句話來說,外延環節在SiC、GaN量產中扮演著重要的角色,也因此,生產外延片的MOCVD設備至關重要。

AIXTRON愛思強是SiC/GaN用MOCVD設備的主要供應商。針對SiC外延,AIXTRON推出了G10-SiC,可以同時滿足6英寸和8英寸的SiC外延生產。G10-SiC采用了AIXTRON的行星式反應技術,在控制外延膜片內均勻性的基礎上體現了多片機的高產能的優勢。SiC功率器件的生產正在對自動化提出新的要求,G10-SiC實現了外延過程透明可見,包括襯底表面溫度,反射率以及曲率,反應前驅物濃度實時控制,并采用機械手自動化完成襯底更換甚至設備耗材的更換。

G10-SiC實現了行業內領先的工藝腔體利用率以及單腔生產能力,幫助客戶實現高品質、高產量、高性價比的外延片,滿足電力電子量產的需求。針對GaN外延,AIXTRON G5+C設備同樣滿足6英寸和8英寸的GaN on Si外延生產,搭載C2C自動卡匣晶圓傳輸技術和原位清潔技術,適用于GaN功率器件以及Micro LED產品的大規模生產。

AIXTRON 副總經理 方子文博士

泰科天潤

功率半導體器件是構成電力電子變換裝置的核心器件。其中,MOSFET因具有易于驅動、開關速度快、損耗低等特點,逐漸成為功率器件的主流產品。

相比傳統硅功率半導體,SiC MOSFET具有大禁帶寬度、高臨界擊穿場強、高熱導率三個最顯著特征,有助高壓、高功率應用提升系統效率、降低損耗和成本。

光伏、儲能、充電樁有量且運行環境惡劣,是SiC器件的跑馬場。而SiC MOSFET工業級起步,但仍需遵循硅器件的發展路徑。

目前,SiC MOSFET成熟度仍不高,且符合應用場景要求的SiC MOSFET需要從多個維度衡量和測試。其中,可靠性是入場券,另外還需要具備穩定性一致、易用性、性能夠用、價格友好等特點。除此之外,其背后的材料、設備、工藝、生產效率、運維成本、材料成本、測試評價、產品定義等都是需要考量的因素。

總的來說,應當理性看待SiC MOSFET單個產品乃至整個SiC產業的發展。目前,國產SiC MOSFET在特性、一致性、可靠性及應用驗證等方面與國際領先水平還有明顯的差距,不過,以穩扎穩打做好持久戰準備的態度,跟上國際發展腳步不掉隊就算是勝利,最終共同助推SiC產業的大規模產業化。

泰科天潤 應用測試中心總監 高遠

鎵未來

近年來,第三代半導體GaN在PD快充行業迅速發展的基礎上,逐漸拓展到通訊、汽車、工業、數據中心電源、光伏儲能等應用領域,助力提升系統轉換效率和功率密度,降低能耗,賦能綠色地球下的雙碳建設。

其中,戶外電源作為一種便攜式儲能產品,在休閑娛樂、戶外作業和應急救援等方面應用廣泛,在能源節約大潮下將迎來廣闊的市場需求。

在戶外電源中,雙向逆變器是核心裝置,而GaN在工作頻率和轉換效率等方面的優勢凸顯,已成為雙向逆變器差異化競爭的理想選擇,其既符合戶外作業對防水防塵的應用要求,滿足市場對無風扇戶外電源設計需求,又有助于延長戶外電源的使用壽命和可靠性,提高充電效率,從而提升整體用戶體驗。

面對戶外電源的應用商機,鎵未來自2021年開始大力拓展GaN在雙向逆變器的應用,重點聚焦戶外電源應用場景,并率先推出4kW GaN大功率無風扇雙向逆變器技術平臺,各項參數指標處于先進水平,已成為戶外電源等中大功率應用的首選。目前,鎵未來的GaN系列產品已覆蓋消費、工業及車規等不同類別的應用。

珠海鎵未來 應用&市場副總裁 胡宗波博士

三菱電機

家電、工業新能源、牽引電力、汽車等應用場景中對低損耗器件有著廣闊的需求,SiC因其耐高壓、耐高溫、高頻率、低損耗等優異的特性,正在逐漸滲透上述應用市場,但SiC產業仍處于發展初期,還面臨著不少技術難題。

例如,在SiC功率模塊的應用層面,需要特別注意開關速度快、電氣特性時漂和短路耐量偏小等問題。針對這些問題以及家電、工業、軌道牽引等領域對SiC器件和模塊的要求,三菱電機已開發相應的解決方案。

三菱電機自1994年投入SiC技術的研發,近年來持續發力SiC功率模塊市場,2010年推出世界首款空調SiC功率模塊,后于2015年成為新干線高鐵全SiC功率模塊的首位供應商。目前,三菱電機已開發第三代低電壓SiC MOSFET (MIT2-MOSTM),采用基于溝槽柵結構的多離子傾斜注入技術,可實現柵極氧化層的高可靠性。

另外,采用SBD-Embedded的SiC MOSFET技術使高壓SiC模塊的長期可靠性有了進一步的提高,并已推出采用此技術的3.3kV SiC模塊FMF800DC-66BEW。

現階段,三菱電機采用不同封裝技術開發的SiC功率模塊已在變頻空調、醫療設備、儲能系統和軌道牽引等領域得到商業化應用。

三菱電機 項目經理 張遠程

天域半導體

憑借寬禁帶、高擊穿電場強度、高電子飽和漂移速率、高熔點、高熱導率等特性,SiC在新能源汽車、光伏儲能、工業及軌道交通等領域的滲透率逐漸提升,未來,SiC器件的市場規模將隨著相關應用市場的發展而進一步擴大。

SiC產業鏈主要分為襯底制備、外延生長、器件制造、模塊封測和系統應用等環節,其中,外延作為承上啟下的重要環節,對器件的可靠性有著關鍵的影響,也因此,外延設備也發揮著重要的作用。CVD化學氣相沉積法是目前主流的SiC外延制備方法,分為垂直、水平和行星式三種生長系統,很大程度上決定著外延片的波長均勻性和缺陷密度水平,最終影響器件的良率和成本。

天域半導體是國內最早實現SiC外延片產業化的企業,現擁有3個運營基地,已實現全球化的布局,是我國SiC領域少數具備國際競爭力的企業之一。目前,天域半導體正在持續擴建產線并加大研發投入,目標是不斷優化外延工藝,提升SiC外延層的質量,研發大尺寸、厚SiC外延片。

天域半導體 FAE經理 何鑫

集邦咨詢

在汽車、工業等下游應用市場的強力驅動下,化合物半導體市場已轉向SiC/GaN功率元件。

隨著Infineon、ON Semi等與汽車、能源業者合作項目明朗化,將推動2023年整體SiC功率元件市場規模達22.8億美元,至2026年可望達53.3億美元。

目前SiC功率元件市場仍然由國際IDM廠商主導,這些廠商正在積極投資8英寸產線。同時,為了迎接下游市場的爆發,全球SiC襯底產能亦在快速提升。對于關鍵的汽車市場而言,800V汽車系統于BEV正在加速滲透,十分有利于車用SiC市場進一步發展。

GaN功率元件市場的主要驅動力則來源于消費電子,特別是快速充電器。同時,許多廠商早已將目光轉向數據中心、可再生能源等工業及汽車市場,這些領域蘊含著巨大的滲透機會,是未來GaN功率元件的重點應用方向。

集邦咨詢 分析師 龔瑞驕

文:集邦咨詢

點擊下方“觀看回放”,即可回看會議直播