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热门半导体材料GaN,最近缘何成网红
发布时间:2020-03-03 点击次数:1097
 

第一代半导体材料主要是指硅(Si)、锗(Ge)元素半导体。它们在国际信息产业技术中的各类分立器件和 集成电路、电子信息网络工程等领域得到了极为广泛的应用。第二代半导体材料是指化合物半导体材料,如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)、磷化铟(InP),以及三 元化合物半导体材料,如铝砷化镓(GaAsAl)、磷砷化镓(GaAsP)等。还有一些固溶体半导体材料,如锗硅 (Ge-Si)、砷化镓-磷化镓(GaAs-GaP)等;玻璃半导体(又称非晶态半导体)材料,如非晶硅、玻璃态氧化物 半导体等;有机半导体材料,如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功 率以及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。第三代半导体材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为 代表的宽禁带(禁带宽度 Eg>2.3eV)的半导体材料。宽禁带半导体是高温、高频、抗辐射及大功率器件的适合材料。与第一代和第二代半导体材料相比,第三 代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和速度以及更高的抗辐射 能力,更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。从目前第三代半导体材料及器件的研究来看,较为成熟 的第三代半导体材料是 SiC 和 GaN,而 ZnO、金刚石、氮化铝等第三代半导体材料的研究尚属起步阶段。
1.2 GaN 优势明显,5G 时代拥有丰富的应用场景
氮化镓(GaN)是极其稳定的化合物,又是坚硬和高熔点材料,熔点为 1700℃。GaN 具有高的电离度,在 三五族化合物中是最高的(0.5 或 0.43)。在大气压下,GaN 晶体一般是六方纤锌矿结构,因为其硬度大,所以 它又是一种良好的涂层保护材料。GaN 具有出色的击穿能力、更高的电子密度和电子速度以及更高的工作温度。GaN 的能隙很宽,为 3.4eV,且具有低导通损耗、高电流密度等优势。

氮化镓(GaN)因其材料的高频特性是制备紫外光器件的良好材料,紫外光电芯片具备广泛的军民两用前 景。在军事领域,典型的军事应用有:灭火抑爆系统(地面坦克装甲车辆、舰船和飞机)、紫外制导、紫外告 警、紫外通信、紫外搜救定位、飞机着舰(陆)导引、空间探测、核辐射和生物战剂监测、爆炸物检测等。在民 用领域,典型的应用有:火焰探测、电晕放电检测、医学监测诊断、水质监测、大气监测、刑事生物检测等。由此可见,GaN 在光电子学和微电子学领域有广泛的应用,其中 GaN 基紫外激光器在紫外固化、紫外杀菌等领 域有重要的应用价值,也是国际上的研究热点。

重要 GaN 企业及产业链梳理

5.1 CREE:全球最大的 SiC 和 GaN 器件制造商
Cree(Wolfspeed)在全球 LED 芯片、LED 组件、照明产品、电源转换和无线通信设备市场中处于领导地 位。Cree 具备 SiC 功率器件及 GaN 射频器件生产能力,其中 SiC 功率器件市场,Wolfspeed 拥有全球最大的份 额,公司也引领了 SiC 晶圆尺寸的变化浪潮。在 GaN 射频市场,Wolfspeed 位居第二。公司的 GaN HEMT 出货 量超过 1500 万只,并进一步拓展了 GaN-on-SiC 代工服务。
5.2 Infineon:世界领先的半导体与系统解决方案提供商
Infineon(英飞凌)提供各种半导体解决方案,包括微控制器,LED 驱动器,传感器以及汽车和电源管理 IC 等。在 2019 年 6 月宣布收购赛普拉斯(Cypress)之后,Infineon 成为全球第八大芯片制造商。英飞凌在包含功 率 IC 的整个市场保持领先地位,并实现了整个行业最大的自然增长。截至 2018 年,英飞凌在分立 IGBT 细分 市场份额达 37.4%,位列第一;在 MOSFET 细分市场份额达 26.4%,位列第一。
5.3 住友电工:全球 GaN 射频器件第一大供应商住友集团具有 400 年渊源历史,旗下住友电工(Sumitomo Electric)主要生产 GaAs 低噪声放大器(LNA)、 GaN 放大器、光收发器及模块。住友电工为全球 GaN 射频器件第一大供应商,同时也是华为 GaN 射频器件第 一大供应商,住友电工还向华为供应大量的光收发器及模块,位列华为 50 大核心供应商之列。住友电工垄断全 球 GaN 衬底市场,其技术在业内处于领先地位。

5.4 Navitas:世界领先的 GaN 功率 IC——GaNFast 技术的创造者
Navitas 半导体成立于 2014 年,旨在推动电力电子领域的高速革命。Navitas 认为,将高开关频率与高能效 相结合可以使电源系统大幅提高充电速度和功率密度,并降低成本。Navitas 发明了业界首个 GaN 功率 IC,该 技术使开关速度提高了 100 倍,同时节省了 40%及以上的能源。公司技术包括业界首个商用平面功率 MOSFET,首个高压功率 IC,首个驱动器+MOSFET 集成,首个专用 功率 MOS 芯片组,首个级联 GaN 功率 FET 以及所有主要功率电子市场中的其他产品。Navitas 团队创建了超过 40 亿美元的新功率半导体业务。小米在 2020 年 2 月发布的 65W GaN 快充即采用了 Navitas 提供的 IC 芯片。NV6115,NV6113,NV6117等。

5.5 三安光电:全面布局 GaN 射频、功率器件、光电的国产龙头
三安光电是传统照明 LED 芯片巨头,其于 2019 年实现了深紫外 LED 芯片量产,处于整个行业产品链的上 游。作为国内领先的深紫外 LED 芯片供应商,公司深紫外 UVC LED 芯片广泛应用于对空气、水和物体表面消 毒等终端消杀产品和应用场景。光功率方面,三安光电 UVC 性能已经是国际同等水平,可以达到 2-4%光效。自今年疫情以来,三安光电已接收到多家客户和政府的急增需求,公司UVC芯片已处满产状态。公司260~280nm 波段的深紫外 UVC 产品已累计客户百余家。
三安光电目前正在中部地区建设一个 Mini/Micro LED 研发基地,投资额为 120 亿元人民币(17 亿美元)。三安将在该研发基地展开 GaN 和 GaAs Mini/Micro LED 芯片以及 4K 显示器的研发。与此同时,三安还计划在 该基地建立 161 万个 GaN Mini/Micro LED 芯片、750,000 个 GaAs Mini/Micro LED 芯片以及 84,000 个 4K 显示 器的年生产能力。GaN 业务部门年产能将包括 720,000 个蓝光 Mini LED 芯片、90,000 个蓝光 Micro LED 芯 片、720,000 个绿光 Mini LED 芯片和 80,000 个绿光 Micro LED 芯片,而 GaAs 业务部分年产能将包括 660,000 个红光 Mini LED 芯片和 90,000 个红光 Micro LED 芯片。此外,三安光电已经正式与三星电子开展合作,共同 开发 Mini/Micro LED 技术。三安集成成立于 2014 年,是 LED 芯片制造公司三安光电(600703)下属子公司,基于氮化镓和砷化镓技 术经营业务,是一家专门从事化合物半导体制造的代工厂,服务于射频、毫米波、功率电子和光学市场,具备 衬底材料、外延生长以及芯片制造的产业整合能力。三安集成项目总规划用地 281 亩,总投资额 30 亿元,规划产能为 30 万片/年 GaAs 高速半导体外延片、30 万片/年 GaAs 高速半导体芯片、6 万片/年 GaN 高功率半导体外延片、6 万片/年 GaN 高功率半导体芯片。官网 显示,三安集成在微波射频领域已建成专业化、规模化的 4 英寸、6 英寸化合物晶圆制造产线,在电子电路领域 已推出高可靠性、高功率密度的 SiC 功率二极管及硅基氮化镓功率器件。
5.6 海威华芯:中国纯晶圆代工(Foundry)厂商的新生力量海威华芯是民营航空装备与技术公司海特高新(002023)下属子公司,提供晶圆代工、设计、测试服务。公 司积极拓展化合物半导体业务,已建成 6 寸化合物半导体商用生产线,并完成包括砷化镓、氮化镓、碳化硅及 磷化铟在内的 6 项工艺产品的开发,可支持制造功率放大器、混频器、低噪音放大器、开关、光电探测器、激 光器、电力电子等产品,业务涵盖航空、航天、卫星、消费电子等领域,产品广泛应用于 5G 移动通信、电力电 子、光纤通讯、3D 感知等领域。年报显示,2018 年海特高新为 100 家客户提供产品和技术服务,其中砷化镓已经实现订单 37 项,氮化镓 已经引入 6 家客户。其中部分产品实现批量出货和代工实现量产;5G 基站产品通过性能验证,目前处于可靠性 验证阶段;氮化镓功率元器件已经小规模量产,随着 5G 商用部署进程的不断推进,在 5G 射频方面将催生大量 的氮化镓元器件需求,具有广阔的市场前景

 
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