三代半导体——氮化镓.docx

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1、三代半导体氮化徐氮化钱（GaN）,是由氮和钱组成的一种半导体材料，因为其禁带宽度大于2.2eV,又被称为宽禁带半导体材料，在国内也称为第三代半导体材料。目录?氮化钱和其他半导体材料对比I?氮化钱的优异特性2?为什么氮化镶快充头可以这么小巧？功率还这么大？3?传统硅基功率器件和氮化像MOS对比3?除了快充，氮化像还有其他什么重要应用？4?为什么氮化钱快充电头这么贵？5?氮化钱材料为什么如此昂贵？5?什么叫氮化钱异质外延片？5?为什么同是外延片，应用差异这么大？6?氮化钱在射频领域的应用？7?国外有那些产业链公司8?氮化钱市场前景？8?总结8?氮化钱初始运用9?5G通讯9?物联网9?电动汽车9?机

2、器人9?白色家电9?互联网10?智能电网10?三代半导体的主线，似乎给我们一个在国际半导体领域实现弯道超车的绝佳机会10?总而言之氮化钱之于我们10氮化钱和其他半导体材料对比主要半导体材料特性熔点(eC)U20124025401975280017404000电子迁移率(OTVVS)15008S00800196300K)-2002000(CrrVVs)600400SO5014WOO崎界击守电场Ec(MVcm)0.30.64.0148IoQ电子饱和速发VSMES)1.01.02.01227A意致11.812.59.78.753.6105.68热身率(Wnk)150.464.933136/2220-

3、120上图中我们可以看到，氮化钱比硅禁带宽度大3倍，击穿场强高10倍，饱和电子迁移速度大3倍，热导率高2倍。这些性能提升带来一些的优势就是氮化钱比硅更适合做大功率高频的功率器件，同时体积还更小，功率密度还更大。材料特性器件优势系统优势氮化钱的优异特性就如这次小米的快充一样，使得小米65W氮化钱充电器的尺寸仅为56.3mmx30.8mmx30.8mm,体积比小米笔记本标配的65W适配器还减小了约48%,约为苹果61W快充充电器的三分之一。小米65W充电器一个充电器搞定所有常用设备?.为什么氮化钱快充头可以这么小巧？功率还这么大？这就是得益于氮化铁材料本身优异的性能，使得做出来的氮化像比传统硅基I

4、GBT/MOSFET等芯片面积更小，同时由于更耐高压，大电流，氮化像芯片功率密度更大，因此功率密度/面积远超硅基，此外由于使用氮化钱芯片后还减少了周边的其他元件的使用，电容，电感，线圈等被动件比硅基方案少的多，进一步缩小的体积，所以本次看到的氮化钱快充头，不仅体积小巧，但是还能提供更强大的功率输出。?.传统硅基功率器件和氮化钱MOS对比?.除了快充，氮化钱还有其他什么重要应用？氮化铁材料，目前有三个比较重要的方向，分别是光电领域，包括我们现在常见的1ED,以及激光雷达和VCSE1传感器；功率领域，各类电子电力器件应用在快充头，变频器，新能源汽车，消费电子等电子电力转换场景；射频领域，包括5G基

5、站，军事雷达，低轨卫星，航天航空等领域。?.为什么氮化钱快充电头这么贵?本次快充头中除了PD协议成本，其他硬件材料电容电感线圈电源管理IC等之外，相当一部分的成本来自于氮化钱MOS功率芯片。制造氮化钱MOS的原材料就是氮化铁单晶片，目前单晶2英寸就高达2万多元一片。商业方案中较多的使用硅基氮化钱外延片，但是价格也非常高昂，8英寸的硅基氮化铉也超过1万的售价，而且产能不足，很难买到。硅基氮化钱是同面积的硅片的30多倍。所以说过于昂贵的原材料导致了氮化钱芯片非常昂贵，最终传到到终端产品就看到高出普通充电头数倍的价格。?.氮化钱材料为什么如此昂贵？氮化钱是自然界没有的物质，完全要靠人工合成。氮化钱没

6、有液态，因此不能使用单晶硅生产工艺的传统直拉法拉出单晶，纯靠气体反应合成。由于反应时间长，速度慢，反应副产物多，设备要求苛刻，技术异常复杂，产能极低，导致氮化铁单晶材料极其难得，因此2英寸售价便高达2万多。商业场景中，更多使用氮化钱异质外延片。?.什么叫氮化钱异质外延片？在氮化保单晶衬底上长氮化钱外延层我们称为同质外延，在其他衬底材料上长氮化钱我们称为异质外延片。目前包括蓝宝石，碳化硅，硅等是氮化铁外延片主流的异质衬底材料。薇宝石IED芯片红光蓝光的1ED芯片；高亮度车灯;Sapphire1EDChip离想就硅功率H件光伏逆变器.电机控制；混合动力车、SiPowerDevice新Ife源汽车，

7、天威充电；中低压快充；氯化律外延GaNEpitaxy硅化硅射柒芯片射频传速器；无线通讯；N达（爱国者导惮系统）SiC.RFSG通讯基站；SG手机通讯芯片氨化体激光1件蓝光、绿光、紫光.紫外激光期、蓝激光打E1wIGaN,1aserDiode激光*投电视.投影仪.滥覆生也察其中蓝宝石基氮化钱外延片只能用来做1ED；硅基氮化铉可以做功率器件和小功率的射频；碳化硅基本氮化钱可以制造大功率1ED、功率器件和大功率射频芯片。本次小米发售的快充头，就是硅基氮化钱做的功率器件的一个典型应用场景。?.为什么同是外延片，应用差异这么大？氮化保外延片的用来制造器件有很多具体的指标，包括晶格缺陷、径向偏差、电阻率、

8、掺杂水平、表面粗糙度、翘曲度等，在不同的衬底材料长的外延层晶体质量差别较大。其中氮化铁和3C碳化硅，有着非常接近的晶格体系，两者适配度非常高，超过95%,因此碳化硅衬底上长氮化钱外延，外延层质量非常好，可以用来做高端产品，包括大射频功率、大功率器件、大功率1ED、激光雷达等。硅和氮化铁晶体适配度非常低，不到83%,因此硅上无法直接长外延层。需要长多道缓冲层来过渡，因此外延层质量水平就比碳化硅基差不少，因此硅基氮化铁只能用来做小功率射频，中小功率器件。蓝宝石基氮化钱，因为衬底材料的问题，无法应用到射频和功率领域，只能用作普通的1ED灯。虽然都是氮化钱外延片，但是由于衬底材料的不同，外延层晶体质量

9、差异较大，应用也不尽相同。蓝宝石片最便宜，硅基次之，碳化硅较贵，氮化钱最贵。衬底材料与氮化线外延层性能比较衬底材料AkO3SiCSiGaNZnOAA格失配度差中差优良界面特性良良良优良化学稳定性优优良优差导热能差优优优优热火配度差中差优差导电性足优优优优光学性能优差优优E1tf性他澹优中良价格中低而高尺寸中中大小小此外商业场景应用，还需要考虑成本的问题氮化钱在射频领域的应用？氮化钱虽然性能优异，但是价格过于昂贵，当下无论是移动端还是基站端，是用不起的，传统的硅基1DMOS和碎化钱芯片就能满足应用，目前仅在军工雷达领域，有一定的应用，民用场景较少。目前5GSub-6标准频率不超过6GHz,因此碑

10、化钱和1DMOS就可以满足应用，但是到5G毫米波标准，1DMoS就无法用了，28GHZ频段神化钱还能一战，40GHZ频段标准神化钱就非常吃力了，目前，全球最有可能优先部署的5G频段为n77、n78、79n257n258和n260,就是3.3GHz-4.2GHz4.4GHz-5.0GHz和毫米波频段26GHz28GHz39GHz而67GHz标准频段则完全是氮化钱的天下，毫米波频段的一个特性是在空气中衰减较大，且绕射能力较弱。换句话说，用毫米波实现信号穿墙基本是不可能。但是，毫米波在空气中传输衰减大也可以被我们所利用，所谓Itsnotabug,itsafeature!”:你手机使用的毫米波信号衰减

11、确实比较大，但是同样地其他终端发射出的亳米波信号（对你而言是干扰信号）的衰减也很大，所以亳米波系统在设计的时候不用特别考虑如何处理干扰信号，只要不同的终端之间不要靠得太近就可以。选择60GHz更是把这一点利用到了极致，因为60GHz正好是氧气的共振频率，因此60GHz的电磁波信号在空气中衰减非常快，从而可以完全避免不同终端之间的干扰。当然，毫米波在空气中衰减非常大这一特点也注定了毫米波技术不太适合使用在室外手机终端和基站距离很远的场合。各大厂商对5G频段使用的规划是在户外开阔地带使用较传统的6GHz以下频段以保证信号覆盖率，而在室内则使用微型基站加上毫米波技术实现超高速数据传输。（氮化铁芯片如

12、若运用在少部分人口密度特别高的建筑如机场地铁站高铁站而不是普遍使用那么成本因素对其影响会大大降低）因此我们可以说未来5G和氮化钱是绝配。氮化钱目前主要工艺节点是多少nm线宽？有特殊工艺吗？设备需要更换吗？传统硅基Fab能来做吗？目前氮化钱外延片晶圆最大尺寸为8英寸，因此可以使用8英寸Fab,流片目前8英寸主流工艺节点包括0.35m-0.13m等制程。8英寸硅基氮化线与传统8英寸Fab设备兼容，预测大约50%60%可以重复利用，比如黄光区设备应该差距不大。但是部分设备由于氮化铁材料的问题，需要更新设备，比如外延设备、刻蚀设备、氧化扩散设备、抛光去除设备、离子注入机等。碳化硅基氮化铁最大为6英寸，

13、6英寸工艺节点覆盖0.5u-0.25m0做功率应该与传统硅基结构差别不大，但是做射频应该有较大差异性，其每家射频公司的设计方案都不尽相同，导致其芯片内部结构差异较大。国外有那些产业链公司目前国内外做氮化钱的公司也不少，属于一个蓬勃发展的产业，创新公司层出不穷。全球产业链公司包括：美国EPC、加拿大GaNsysterms美国Dia1og美国NaVitas、以色列ViS1CTech、GaNPi,以及三大射频SkyWOrks、Qorvo安华高等、比利时EPI、台湾嘉晶电子、汉磊、台湾欣邦、台积电、联电、T1日本松下、韩国三星、美国IR、安森美、ST、德国X-FAB、世界先进、ToWerjaZZ,日本

14、DOWA等。大陆产业链公司包括：江苏纳维、东莞中铁、华威海芯（海特高新控股子公司）、耐威科技、苏州能讯、三安光电、英诺赛科、江苏华功、江苏能华（海陆重工参股子公司）、苏州晶湛、大连芯冠、苏州捷芯威、聚力成、世纪金光、山东加睿晶欣、捷笠、四川益丰电子以及13所、55所等军工单位。公司较多不一一列举氮化钱市场前景？目前根据Yo1e的统计，2018年，氮化钱功率和射频相加仅仅4000万美金的市场规模，2019年全球氮化钱半导体器件市场规模为9.749亿美元。但是我们认为得力于5G基站的建设高潮，汽车电子、激光雷达以及消费电子的快速增长，无论是硅基氮化钱在功率领域，或者碳化硅基氮化线在射频领域的应用，未来会出现较大增长，年均增长率可能超过40%以上,目前没有准确的数字预估未来某个时间点的市场规模，但是这个极具发展潜力的朝阳产业是较为确定的事。总结一、氮化做好东西、可惜太贵，产业呼唤更先进、更高效的材料制备技术，来降低原材料的价格。二、氮化钱1928年就被发现了，到现在才慢慢进入商业落地，但是还有很多细节东西需要积累。三、氮化钱产业应用面越来越广，消费者购买情绪高涨，上游厂家不断扩产，降低成本,再次促进氮化钱的产品应用