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张乃千:Si基GaN功率器材的开展态势剖析

来源:http://www.sh-pv.com 责任编辑:环亚ag88 更新日期:2018-08-13 12:55

  张乃千:Si基GaN功率器材的开展态势剖析

  2013年9月5日,首届“第三代半导体资料及运用展开世界研讨会”在深圳成功举行,来自中科院半导体研讨所、南京大学、北京大学、科锐公司、西安电子科技大学等研讨机构以及企业的近百名人士参加了此次会议。

  姑苏能讯高能半导体有限公司董事长张乃千先生在会上做了以《si基GaN功率器材的展开态势剖析》为题的陈述,经过具体解说氮化镓(GaN)的优势、硅(si)基氮化镓的产品优势、氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)电力电子器材的联系、LED介入氮化镓功率器材可选的商业模式和影响等等方面的内容,介绍了展开硅基氮化镓的功率器材的原因、硅基氮化镓半导体的职业情况、氮化镓功率资料与器材的商场前景和硅基氮化镓功率半导体的技能展开方向。

  他首要简略以美国为例介绍了根据半导体技能运用的节能情形,他表明,半导体技能运用今后,美国每年的节约的电费到达万亿美元,选用新一代功率器材后,电力损耗还能再削减30%。

  他指出氮化镓相比较硅的长处包含三个方面,第一点是导通电阻比较低,氮化镓的导电阻比硅低1000倍左右;第二点是速度很快,氮化镓的开关速度比硅高100倍左右,功率密度进步;第三点是耐高温,GaN可以在500 ℃以上的高温环境运用。

  在氮化镓和碳化硅电子器材之间的联系方面,张乃千董事长表明,氮化镓比较适宜900v以下的器材,它是一个平面器材;从资料方面它们不是一个资料,它的优势是氮化镓的原资料可以依托巨大的照明工业,本钱较低:氮化镓可以一向成长在一个大的硅片上,既可以下降操控本钱,又可以投入大规模出产;氮化镓的规模化是很重要的,氮化镓(GaN)器材制作需求的设备可借助于硅工业,易于大规模工业化。

  张乃千就氮化镓器材的商场前景对商场空间和商场巨细做了简略介绍,他说,本年一切的半导体器材加一同包含资料,大约有不到200亿美元,到2020年可能将到达400亿美元,它的展开相对平稳,不像LED企业崎岖比较大。

  而在这个商场中,大约有三分之二的商场归于工业电压比较低的的900v以下,高于900v的占三分之一,氮化镓比较适宜于大约三分之二的商场,这个商场适当的大。

  氮化镓职业展开情况方面,张乃千指出,在职业展开中,氮化镓起步比较早,经过政府和职业的的推进,氮化镓职业1993年呈现了UCSB第一个氮化镓射频器材, 1999年呈现了第一个氮化镓电子电力器材,2007年在 6寸硅衬底上长出了氮化镓,根本从运用的视点开端了推进;而美国欧洲也分别在2002年和2007年启动了推进方案;2013年呈现了经过了JEDEC质量标准的硅基氮化镓功率器材,一起我国科技部推出了第三代半导体863方案。

  张乃千说,现在进入硅基氮化镓这个职业的大约有五种企业,分别是硅功率半导体企业、化合物半导体企业、硅集成电路企业、氮化镓危险企业和LED照明企业。其间世界排名前20的功率半导体企业根本上都在做,现在根本找不到不做硅基氮化镓的功率半导体企业; LED照明的企业做氮化镓也是十分适宜的,LED照明最首要的是资料,资料引领工业,LED的MOCVD产能适当大,不只可以满意LED的展开,也还可以满意电子器材的展开。LED厂商也可以多样化运营,可以把过剩的产能分配给功率电子,可以逐步走进硅基氮化镓这个职业。尽管LED转向氮化镓有很大的优势,但也并不是想转就能转的,从资料来讲需求要到达6寸、8寸的改变,器材的制作和规划与LED有必定差异。因而LED需求将衬底从蓝宝石衬底变为大尺度Si衬底,还要学习和运用功率器材规划和加工技能。

  LED介入氮化镓功率器材的商业模式有两种,新市场!苹果无线键盘或导入LED,张乃千指出,第一种是自己做,包含出产氮化镓外延资料并制作功率器材,第二种是供给氮化镓功率外延片给器材出产商。

  张乃千说,LED职业介入氮化镓功率器材最有引诱的一点是它的本钱可以削减,在LED的展开进程中,固定资产的投入折旧占了很大一部分,从这个视点讲,外延的本钱可以削减20%,整体而言本钱可以削减10%左右。

  张乃千提出,在一切工艺半导体成长中,跟着氮化镓资料可以在6寸到8寸的晶圆上成长之后,制作很快也会朝着6寸到8寸展开。他说,未来氮化镓的首要展开方向是6寸到8寸,并以8寸为主。

  一起,他还指出了氮化镓在展开之初存在的7个技能问题:

  外延技能:外延技能具有很大的热失配和晶格失配难点,特别是热失配,需求运用应力工程的办法才能把外延上没有晶圆的变成有晶圆的,比如说2007年IMEC运用应力工程,在4寸和6寸Si衬底上运用AlN成核层和AlGaN中心层制作了功率器材,现在华测、三星等企业都能出产比较的好的氮化镓资料。

  进步击穿电压:氮化镓和碳化硅不相同,制作结构中对击穿电压有许多要求,除了咱们常见的长板结构是一切的线都要用的,触及的氮化镓十分的多,首要有几个方面,首要是触及缓冲层,氮化镓硅基要在氮化镓和硅基中心发生一个不导电的缓冲层;第2种办法是经过PN加减的办法把压降反过来或压降到一个一致的方向,跟着电压削减效果越来越差,但也能起到必定效果;第3个办法是把硅去掉,氮化镓粘到不导电的芯片上面。

  完成常关型器材:氮化镓刚呈现的时分RS器材是常开型的,所以常关型的器材对电子电源十分重要,也有几个方向,首要是凹槽栅方向,经过干法刻蚀减薄栅极下势垒层的厚度,削弱或彻底消除栅极区域的极化效应,这个技能刚开端运用的比较多;其次是p-GaN栅技能, 美国EPC、德国FBH和日本Meijo大学等运用了该技能。 后来香港科技大学展开了氟离子注入办法,比较适宜平面器材。最终是Cap的办法,这办法适宜运用在硅的器材中,硅器材的抗耐热还有电源上面都会存在有必定问题。

  按捺电流坍塌效应:开关中开和关需求,咱们期望它能把氮化镓高速的功能发扬出来按捺电流坍塌效应。外表钝化,削减RF信号电流坍塌效应 ;场板办法,现在电厂在做避免电流坍塌;还有成长冒层的结构,这几个结构跟RS器材的结构比较相似,RS器材结构也有电流坍塌效应。

  硅工艺兼容的制作工艺:大规模的运用硅工艺,咱们现阶段的LED工业的重金属对硅工艺有危害的,一起它的本钱也比较高,硅工艺兼容的制作工艺展开方向,像士兰微既做LED也可以做硅是一个比较好的结合。

  可靠性:功率器材的可靠性是十分重要的,特别是电流,它是一个体系中最中心的一个部件,电源有七个视点剖析器材失效的方向,器材失效是咱们做器材一个首要的研讨方向。例如:电子器材的热效应比较强,在很高的热的情况下直流加快下失效,跟氮化镓中看不见的氮有必定联系。

  功率集成技能:氮化镓器材的电压比较小,这跟高电压器材不太相同,它的电压比较小适宜,它需求集成电压,它的操控和速度都简单进步起来。

  总的来说氮化镓电子器材的展开不是一年两年的工作,这需求很长的时刻,首要前3年要做技能开发,一起质量认证和产能进步也很重要,由于电子期间的制作进程远远比LED要杂乱,这是一个周期比较长的工业。从本年开端,氮化镓的出售额在逐年增加,到2020年可能会到达几亿美元或许20亿美元的出售(不含国防运用),这个也是可喜的一面,一起咱们切入的电子器材商场到2020年也能到达6%的商场,这是对氮化镓的相对商场的知道。

  张乃千最终对硅基氮化镓的商场知道总结道,GaN功率器材的社会效益比较高,商场时机比较大,值得咱们进入商场。在我国展开Si基GaN功率半导体有着杰出的根底。可是咱们要知道到这个职业的杂乱度比较高,由于资料触及到微电子制作,存在必定的技能问题,它不等同于微电子技能,切入有一些难度,所以企业有必要展开广泛的协作,不只是咱们的工业,微电子工业、跨国半导体工业、LED工业之间都要加强相互协作,要产学研用,同享协作。现在咱们的工业刚刚起步,还处于投入期,而不是展开收获期,都具有必定的危险 ,在这种情况下政府的引导、和谐、协助都是至关重要的。

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