氮化鎵是一種寬能隙材料,它能夠提供與碳化硅(SiC)相似的性能優勢,但降低成本的可能性卻更大。業界認為,在未來數年間,氮化鎵功率器件的成本可望壓低到和硅MOSFET、IGBT及整流器同等價格。
氮化鎵電力電子器件具有更高的工作電壓、更高的開關頻率、更低的導通電阻等優勢,并可與成本極低、技術成熟度極高的硅基半導體集成電路工藝相兼容,在新一代高效率、小尺寸的電力轉換與管理系統、電動機車、工業電機等領域具有巨大的發展潛力。
由于對高速、高溫和大功率半導體器件需求的不斷增長,使得半導體業重新考慮半導體所用設計和材料。隨著多種更快、更小計算器件的不斷涌現,硅材料已難以維持摩爾定律。由于氮化鎵材料所具有的獨特優勢,如噪聲系數優良、最大電流高、擊穿電壓高、振蕩頻率高等,為多種應用提供了獨特的選擇,如軍事、宇航和國防、汽車領域,以及工業、太陽能、發電和風力等高功率領域。
由于氮化鎵光電半導體在軍事、宇航、國防和消費電子的使用,使得光電半導體成為全球氮化鎵半導體器件市場的主要產品類型,并占據絕對優勢地位。其中功率半導體器件將隨著工業應用對大功率器件需求的增長成為未來增長速度最快的器件。
對于GaN的功率器件發展而言,市場需求牽引力至關重要。從(2020年將支配市場的)電源和PFC(功率因數校正)領域,到UPS(不間斷電源)和馬達驅動,很多應用領域都將從GaN-on-Si功率器件的特性中受益。
市場調查公司Yole Developpement)認為,除了這些應用,2020年以后純電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)也將開始采用這些新材料和新器件。市場規模方面,2020年GaN器件市場整體規模有可能達到約6億美元。屆時,一塊6英寸晶圓可加工出大約58萬個GaN。按照EV和HEV從2018年或2019年開始采用GaN的設想來看,GaN器件的數量將從2016年開始顯著增加,一直到2020年都將以80%的年均增長率(CAGR)增長。
再隨著5G技術的逐漸成熟,帶給射頻前端(RF Front End)晶片市場商機,未來射頻功率放大器(RF PA)需求將持續成長,其中傳統金屬氧化半導體(Laterally Diffused metal Oxide Semiconductor,LDMOS;LDMOS具備低成本和大功率性能優勢)制程逐步被氮化鎵(Gallium Nitride,GaN)取代,尤其在5G技術下需要支援更多元件、更高頻率,另砷化鎵(GaAs)則相對穩定成長。透過導入新的射頻技術,RF PA將以新的制程技術實現,其中GaN的RF PA將成為輸出功率3W以上的主流制程技術,LDMOS市占率則逐漸降低。
因為5G技術涵蓋毫米波頻率和大規模MIMO(Multi-Input Multi-Output)天線運用,以實現5G無線整合及架構上的突破,未來如何大規模采用Massive-MIMO及毫米波(mmWave)回程系統將是發展關鍵。由于5G頻率高,因此對于高功率、高性能、高密度的射頻元件需求增加,其中氮化鎵(GaN)符合其條件,即GaN市場更具有潛在商機。
為進一步推動我國在氮化鎵功率電子器件領域的技術進步和產業發展。2017年11月1日-3日,由第三代半導體產業技術創新戰略聯盟和中關村科技園區順義園管理委員會主辦的2017國際第三代半導體論壇(IFWS 2017)將于2017年11月1日-3日在北京首都機場希爾頓酒店召開。同期,由香港科技大學教授陳敬和中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所納米測試中心研究員、蘇州納維科技有限公司董事長徐科領銜的“氮化鎵功率電子器件”技術分會也備受業界關注。
據了解,陳敬教授他所帶領的團隊目前的研究重點在于開發電力電子、無線電/微波及耐高溫電子應用等方面的GaN器件技術。徐科老師頭銜也很多,他是中科院蘇州納米所研究員、博士生導師、納米測試中心主任,也是蘇州納維科技有限公司董事長。他長期圍繞高質量氮化物半導體材料生長及相關生長裝備和測試分析儀器的研究與研發。
該分會特邀報告人美國倫斯勒理工大學教授周達成,加拿大多倫多大學電子與計算機工程學部教授Wai Tung NG,中國科學院固態照明研發中心研究員張連,中國科學院微電子研究所研究員黃森等國內外知名專家學者,聚焦主題涵蓋大尺寸襯底上橫向或縱向氮化鎵器件外延結構與生長、氮化鎵電力電子器件的新結構與新工藝開發、高效高速氮化鎵功率模塊設計與制造,氮化鎵功率應用與可靠性等,將全面呈現國際氮化鎵功率電子器件領域的應用與最新技術進展。
距離論壇召開的時間越來越近,最新的論壇進展消息,敬請持續關注中國半導體照明網。
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