2024-04-29
功率半导体基本概念
功率半导体,即依托电力电子技术、以功率处理为核心的半导体产业,本质上来讲,是通过利用半导体的单向导电性实现的电源开关和电力转换的功能,是弱电控制和强电运行之间的桥梁。因此功率半导体广泛地应用于能量产生、传输、应用的全环节。
功率半导体下游应用领域覆盖面广。为了满足更广泛和复杂的应用场景和环境,其种类从二极管逐渐拓展到BJT、GTO,再到MOSFET、IGBT,从不可控型向全控型方向演进,发展路径清晰,产品结构层次丰富,每种产品也在应用中不断突破原有技术瓶颈,衍生出众多规格和型号。
图1:功率半导体在半导体生态中的位置及其产品范围
图片来源:华润微招股说明书,恒旭资本整理
随着技术进步,功率半导体已从基本的二极管演进到更高级的MOSFET和IGBT等全控型半导体。整体而言,功率半导体行业呈现高功率、高能效、小型化及高性价比的发展趋势。目前,半导体市场存在着从传统硅基材料到新型碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等第三代宽禁带半导体材料,这类新材料因应对高温、高压和高频环境的优越性能而备受青睐,在中高压功率应用中显现出其独特的优势。
此外,第四代半导体材料如氧化镓和金刚石正处于研发与应用初期阶段,预计将提供更高的性能和成本效益。未来,随着材料科技的进一步突破和生产技术的改进,功率半导体市场将继续扩展,特别是在新能源汽车、智能电网等领域的应用将进一步推动市场需求。
功率半导体产业链
功率半导体产业链主要包含单晶材料、外延、器件、模块几个环节。单晶材料是功率半导体技术和产业的基础,主要技术指标有单晶制晶、微管密度、单晶电阻率等。外延是实现器件制造的关键,主要指标有外延片直径、厚度、掺杂浓度、表面缺陷密度等。器件是整个产业链的核心,主要指标有阻断电压、单芯片导通电流/电阻、阻断状态的漏电流等。模块是实现器件应用的桥梁,主要技术指标有模块容量、热阻、寄生参数和驱动保护等。
图2:碳化硅器件的制造流程
图片来源:驱动视界,恒旭资本整理
材料为功率半导体创新方向
功率半导体也满足摩尔定律,电源功率密度约每4年提升一倍。功率器件类型和材料均在发生演变,每一代技术大约历时20年,但演变的方向是不变的。功率半导体行业一直朝着大功率、高能效、小型化、高性价比的方向发展。
目前功率器件的形态已基本稳定:在中小功率领域(电压900V以下),MOSFET器件是应用最广泛的电力电子器件;在中大功率领域(电压1200-6500V),IGBT是市场上的主流产品;而在超大功率领域(电压3300V以上、容量1-45MW),晶闸管和IGCT等均具有巨大的市场。
图3:功率器件发展历程
图片来源:YOLE,恒旭资本整理
图4:MOSFET(左)和IGBT(右)基本结构
图片来源:中信建投证券研究发展部,恒旭资本整理
功率半导体材料发展情况
第一代半导体材料,发明并实用于20世纪50年代,以硅(Si)、锗(Ge)为代表。经过多年发展,目前广泛用于分立器件和芯片制造。
第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料,以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表,主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件.
第三代半导体材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料。其具有更宽的禁带宽度(>2.2eV)、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,可广泛应用在高压、高频、高温以及高可靠性等领域。由于制造设备、制造工艺以及成本的劣势,多年来第三代半导体材料只是在小范围内应用,无法挑战硅基半导体的统治地位。
第四代半导体指氧化镓(Ga2O3)、金刚石(C)、氮化铝(AlN)等超宽禁带半导体材料,以及锑化镓(GaSb)、锑化铟(InSb)等超窄禁带半导体材料。第四代超宽禁带材料在应用方面与第三代半导体材料有交叠,主要在功率器件领域有更突出的应用优势。第四代超窄禁带材料的电子容易被激发跃迁、迁移率高,主要应用于红外探测、激光器等领域。目前金刚石和氮化铝衬底/外延工艺难度大、成本高;而氧化镓目前技术成熟度最高,是最可能率先实现从实验室到工厂的第四代半导体材料。
图5:功率半导体材料发展历程
图片来源:云岫资本,恒旭资本整理
第三代功率半导体产业特点
首先,第三代宽禁带半导体不是“颠覆”,而是“丰富”。Si基半导体发展逾半世纪,工艺成熟度和成本均很难被刚兴起不到10年的宽禁带半导体所取代。丰富半导体材料,使每种材料可以更好得匹配特定应用场景,是第三代宽禁带半导体存在的意义,而非“颠覆”或“取代”。Si基材料在过去50年内几乎占据半导体材料100%的市场份额,而近10年随着二代、三代半导体的产业化,我们看到半导体材料的分工不断细化、对应用场景的匹配性越来越高,形成了性能丰富的材料市场。这有利于下游行业的发展,也符合材料行业发展趋势。
其次,SiC和GaN主要优势领域不同。GaN有较高的功率密度,耐压力范围目前在600V以下,因此优势应用领域为光电器件、射频器件、中低压功率器件等,其微波功率器件的效果(微波输出功率密度上)远优于现有的一切半导体材料。
SiC在中高压功率器件领域是绝对的王者。在MOSFET原理上不产生尾电流,用SiC MOSFET替代IGBT时,能够明显地减少开关损耗,并且实现散热部件的小型化。因此SiC的优势应用领域为家用电器、新能源汽车、不间断电源、光伏/风能电站、智能电网、轨道交通列车等高压、高温、大功率、耗电量大、对节能有较高要求的领域。
第四代功率半导体尚未产业化
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氧化镓材料简介
第四代半导体材料氧化镓Ga2O3是高压高功率的理想材料,成本较SiC有明显优势。氧化镓是金属镓的氧化物,同时也是一种半导体化合物。其结晶形态截至目前已确认有α、β、γ、δ、ε五种,其中β相最稳定,目前产业化以β相氧化镓为主。
氧化镓具有材料优势。首先,氧化镓的加工成本低:氧化镓的硬度比硅还软,因此加工难度较小,而SiC硬度高,加工成本极高。其次,氧化镓氧化镓的功率性能好、损耗低:氧化镓器件的功率损耗是SiC的1/7,也就是硅基器件的1/49。另外,氧化镓的生长速度是SiC的100倍:氧化镓用液相的熔体法生长,每小时长10~30mm,每炉2天,而SiC用气相法生长,每小时长0.1~0.3mm,每炉7天。最后,氧化镓晶圆的产线成本低,起量快:氧化镓不像SiC需要特殊设备而必须新建产线,潜在可转换的产能已非常巨大。
氧化镓材料具有市场潜力。氧化镓材料扩径、生产简单,芯片工艺易实现,成本低,且材料稳定,结构可靠,易于产出高品质衬底和外延。但同时应该注意,氧化镓在导热率、生产成本、P型结构上存在一定缺陷,产业化进程仍需克服技术问题。在单级替换双极方面(即MOSFET替换IGBT),新能源车及充电桩、特高压、快充、工业电源、电机控制等功率市场中,氧化镓材料将与硅基、GaN、SiC、Ga2O3共同竞争。
短期来说,预计氧化镓功率器件将在门槛较低、成本敏感的中高压市场率先出现,如消费电子、家电以及能发挥材料高可靠、高性能的工业电源等领域。长期来说,氧化镓功率器件覆盖650V/1200V/1700V/ 3300V,预计渗透车载和电气设备领域,未来也将在超高压的氧化镓专属市场发挥优势,如高压电源真空管等应用领域。
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金刚石材料简介
金刚石材料是制造大功率、高温、高频器件的理想材料。金刚石是碳元素(C)的单质同素异构体之一,为面心立方结构,每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外4个碳原子形成σ型共价键,C—C键长为0.154nm,键能为711kJ/mol,构成正四面体,是典型的原子晶体,集超硬、耐磨、热传导、抗辐射、抗强酸强碱腐蚀、可变形态(单晶/多晶)等诸多优异性能于一身。
图6:半导体材料横向性能对比
图片来源:电子发烧友,恒旭资本整理
金刚石可应用领域广泛,市场潜力巨大。金刚石集力学、电学、热学、声学、光学、耐蚀等优异性能于一身,应用场景广泛,可应用于高频、高功率、高电压以及强辐射的领域。
然而目前,该种材料诸多工艺环节面临技术瓶颈:其电学掺杂难,生长成本高,工艺难度大。当前金刚石器件的性能远没有理论预期的好,也远不如较为成熟的GaN基和SiC基器件,许多关键科学技术问题亟待解决,要实现金刚石器件的优异性能及其产业化应用还有很长的路要走。
功率半导体衬底材料未来趋势
功率半导体件衬底材料是未来功率器件创新的重要方向。目前第三代半导体材料已经逐渐走向成熟,处于高速增长期;氧化镓、金刚石等第四代半导体材料仍处于相对较早期,还有许多问题需要解决,走向产业化还需要一定时间。
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Jan. 29, 2024