Si基GaN功率器件的发展态势分析
GaN

GaN功率器件调研摘要:论文从研究背景、进展和行业动态三方面论述了发展GaN功率器件的可行性和意义。
关键词:GaN;功率器件一、研究背景目前绝大多数电力电子器件都是基于硅(Si)材料制作的,随着硅工艺的长足发展与进步,其器件性能在很多方面都逼近了极限值。
因此,电力电子器件想要寻求更大的具有突破性的提高,需要更多关注新型半导体材料。
与其它半导体器件相比,电力电子器件需要承受高电压、大电流和高温,这就要求其制造材料具有较宽的禁带、较高的临界雪崩击穿场强和较高的热导率。
新型氮化镓(GaN)基宽禁带半导体材料无疑成为制作高性能电力电子器件的优选材料之一。
几种主流半导体材料特性参数如表1所示。
表1 主流半导体材料特性参数(1)从表1中可以看出相比GaAs、Si等材料,GaN材料具有较大的禁带宽度。
因此,GaN基材料在高温和高辐射的情况下本征激发载流子较少,这就使得用GaN材料制作的半导体器件的工作温度可以高于GaAS、Si等半导体材料的工作温度,这对于制作高温、大功率半导体器件有很大的优势。
(2)GaN材料具有很大的饱和电子迁移速度,GaN材料的饱和电子漂移速度峰值能够达到3×107cm/s,这个数值要远大于GaAs、Si、4H-SiC等半导体材料。
大饱和电子漂移速度保证了GaN器件具有非常好的载流子输运性质,这在制作高频微波电子器件方面,能够有非常广阔的应用前景。
(3)GaN材料具有高的击穿电压。
Si和GaAs的临界击穿电场只有0.3MV/cm 和0.4MV/cm,而GaN材料的临界击穿电压能够达到4MV/cm,这一性质使得GaN材料很适合做高压电子器件,能够非常优秀地足电力工业对高压二极管的广泛需求。
(4)GaN具有很低的介电常数。
介电常数是器件电容荷载的量度,从表可以看出GaN的介电常数比Si、GaAs和4H-SiC都要小。
介电常数低,单位面积的器件寄生电容小,因此对于同样的器件阻抗,介电常数小的材料可以使用的器件面积就大,这样就可以开发较高的RF功率水平。
Si基GaNHEMT功率电子器件研制开题报告

Si基GaNHEMT功率电子器件研制开题报告一、研究背景随着新能源、高效照明、高速通信等应用的广泛发展,对于功率电子器件的需求越来越高。
作为一种新型的功率电子器件,Si基GaNHEMT 具有高功率密度、高频特性、高温特性和低导通电阻等优点,成为当今功率电子器件领域的研究热点之一。
同时,Si基GaNHEMT器件的研制对于促进我国半导体产业的发展和提升我国的电力电子水平具有重要意义。
因此,本研究将围绕Si基GaNHEMT功率电子器件进行研究。
二、研究内容本研究将进行Si基GaNHEMT功率电子器件的研制与性能测试,具体包括以下内容:1. 选取合适的Si基GaNHEMT材料,并进行特性测试,确定最佳工艺参数。
2. 根据选取的材料和工艺参数,设计制备Si基GaNHEMT功率电子器件。
3. 对制备完成的Si基GaNHEMT器件进行性能测试,包括导通电阻、开关速度、功率密度、热稳定性等特性测试,评估器件性能。
4. 针对测试结果进行分析和优化,改进器件性能,提高其性能和可靠性。
三、研究计划本研究共计12个月,具体研究计划如下:第1-2个月:进行材料的选取和特性测试,确定最佳工艺参数。
第3-6个月:根据选取的材料和工艺参数,进行Si基GaNHEMT功率电子器件的制备。
第7-10个月:对制备完成的Si基GaNHEMT器件进行性能测试,评估器件性能。
第11-12个月:根据测试结果进行分析和优化,改进器件性能,提高其性能和可靠性。
四、研究成果本研究将成功研制出Si基GaNHEMT功率电子器件,并对其性能进行测试和评估。
同时,将提出改进Si基GaNHEMT器件性能的方法,并为我国的半导体产业的发展和电力电子水平的提升做出贡献。
研究成果将在相关期刊和学术会议上进行发表和交流,以促进学术交流和学科团结。
2024年GaN射频器件市场前景分析

2024年GaN射频器件市场前景分析1. 引言GaN(氮化镓)射频器件是一种新兴的无线通信器件,具有高频率、高功率、高效率和高温特性等优点。
随着无线通信技术的快速发展,GaN射频器件市场正逐渐展现出广阔的前景。
本文将对GaN射频器件市场的发展趋势和前景进行分析。
2. 市场概述2.1 GaN射频器件简介GaN射频器件是采用氮化镓材料制造的射频功率放大器、开关和其他射频器件。
相比传统的硅基射频器件,GaN射频器件具有更高的工作频率、更大的功率密度和更低的功耗。
2.2 市场规模与增长预测根据市场调研机构的数据,GaN射频器件市场自2015年开始迅速增长,预计在2025年将达到XX亿美元。
这一增长主要受益于无线通信领域的快速发展和对高频高功率器件的需求。
3. 市场驱动因素3.1 无线通信技术进步随着5G和物联网技术的兴起,对高性能射频器件的需求急剧增加。
GaN射频器件以其卓越的性能和可靠性,在5G基站和无线通信设备中得到广泛应用,这成为市场增长的主要驱动因素。
3.2 可靠性提升和成本降低随着氮化物材料技术的不断进步,GaN射频器件的可靠性得到了显著提升,减少了设备因故障而停机的风险。
同时,生产工艺和规模的不断优化,也使得GaN射频器件的成本逐渐降低,提高了市场的竞争力。
4. 市场挑战与机遇4.1 制造工艺挑战尽管GaN射频器件具有较高的性能和可靠性,但其制造过程相对复杂,需要高度精确的工艺控制。
制造工艺的改进和成本的降低是当前面临的挑战,但也是市场发展的机遇。
4.2 新兴应用领域的机遇除了无线通信领域,GaN射频器件还可以应用于雷达、军事和航空航天等领域。
这些新兴的应用领域为市场增长带来了新的机遇和发展空间。
5. 市场竞争格局5.1 主要厂商当前,GaN射频器件市场的主要厂商包括XX公司、XX公司和XX公司等。
这些厂商在技术研发、生产规模和市场份额等方面具有一定的竞争优势。
5.2 市场竞争策略为了在竞争激烈的市场中获得优势,厂商们采取了多种竞争策略,包括加大研发投入、提高产品性能、降低成本、拓展市场渠道等。
GaN技术:挑战和未来展望

GaN技术:挑战和未来展望氮化镓(GaN) 是一种宽带隙半导体,其在多种电力电子应用中的应用正在不断增长。
这是由于这种材料的特殊性能,在功率密度、耐高温和在高开关频率下工作方面优于硅 (Si)。
长期以来,在电力电子领域占主导地位的硅几乎已达到其物理极限,从而将电子研究转向能够提供更大功率密度和更好能源效率的材料。
GaN 的带隙 (3.4 eV) 大约是硅 (1.1 eV) 的 3 倍,提供更高的临界电场,同时降低介电常数,从而降低R DS( on) 在给定的阻断电压下。
与硅相比(在更大程度上,与碳化硅 [SiC])相比,GaN 的热导率更低(约为 1.3 W/cmK,而在 300K 时为 1.5 W/cmK),需要仔细设计布局和适当的开发出能够有效散热的封装技术。
通过用 GaN 晶体管代替硅基器件,工程师可以设计出更小、更轻、能量损失更少且成本更低的电子系统。
受汽车、电信、云系统、电压转换器、电动汽车等应用领域对日益高效的解决方案的需求的推动,基于 GaN 的功率器件的市场占有率正在急剧增长。
在本文中,我们将介绍 GaN 的一些应用,这些应用不仅代表了技术挑战,而且最重要的是,代表了扩大市场的新兴机遇。
01电机驱动由于其出色的特性,GaN 已被提议作为电机控制领域中传统硅基MOSFET 和IGBT 的有效替代品。
GaN 技术的开关频率高达硅的1,000 倍,加上较低的导通和开关损耗,可提供高效、轻巧且占用空间小的解决方案。
高开关频率(GaN 功率晶体管的开关速度可以达到100 V/ns)允许工程师使用较低值(因此尺寸更小)的电感器和电容器。
低R DS( on) 减少产生的热量,提高能源效率并实现更紧凑的尺寸。
与 Si 基器件相比,GaN 基器件需要具有更高工作电压、能够处理高 dV/dt 瞬态和低等效串联电阻的电容器。
GaN 提供的另一个优势是其高击穿电压(50-100 V,与其他半导体可获得的典型5 至15-V 值相比),它允许功率器件在更高的输入功率和电压下运行而无需损坏的。
宽禁带半导体sic功率器件发展现状及展望

宽禁带半导体sic功率器件发展现状及展望
宽禁带半导体SiC(碳化硅)功率器件是当前发展最快的新一代半导体功率器件之一。
相比于传统的硅功率器件,SiC功率器件具有更高的电子能带宽度和更高的电子饱和漂移速度,因此具有更高的电压和电流承受能力,更低的开关损耗和更高的温度工作能力。
目前,SiC 功率器件已经应用于许多领域,包括电动汽车、太阳能逆变器、电网并网等。
SiC功率器件的应用主要集中在高功率、高压力和高温的场景下。
预计在未来几年,SiC功率器件市场将继续快速增长。
未来SiC功率器件的发展主要集中在以下几个方面:
1. 提高器件性能:进一步提高SiC功率器件的功率密度和效率,降低开关损耗和漏电流,增强温度工作能力和可靠性。
2. 降低制造成本:SiC材料和器件制造成本较高,需要进一步研究和发展新的制造工艺和技术,降低制造成本,提高生产效率。
3. 应用拓展:SiC功率器件将进一步拓展应用领域,如工业自动化、航空航天、能源领域等。
4. 系统集成:SiC功率器件将与其他器件(例如Si功率器件和GaN功率器件)集成在一起,实现更高效的系统设计和优化。
SiC功率器件具有巨大的发展潜力,并有望在未来几年内实现更广泛的应用。
随着技术的不断进步和市场需求的增长,SiC功率器件将逐渐取代传统的硅功率器件,成为主流的功率器件技术。
浅谈GaN功率器件应用可靠性增长

浅谈GaN功率器件应用可靠性增长摘要:作为雷达T/R组件核心元器件,GaN功率器件的输出功率、功率密度日渐提高,这对器件长期使用安全可靠性提出更高要求。
对此,本文通过分析GaN功率器件失效原因,发现电压过冲、工作结温过高、栅流电压稳定性会影响GaN功率器件长期应用可靠性。
针对此,本文提出了行之有效的优化对策,通过加强管理漏极电压过冲问题、强化栅压稳定性、调节GaN管芯沟道温度的方式,提高GaN功率器件应用可靠性,希望此次分析可以为相关业内人士提供参考与借鉴。
关键词:GaN功率器件;电压过冲;漏源偏置电压;优化对策引言:新型导弹、隐身飞机、无人机、巡航导弹等新目标出现,对雷达技术提出较高要求,雷达装备必须具备精密探测能力。
分析可知,无论是无人机还是巡航导弹,此类目标均具有飞行高度高、飞行速度变化大、反射面积小等特点,这对雷达预警探测系统提出巨大挑战。
因此,若想保证雷达威力,提高探测精细性,需要高功率固态发射机支持,同时也需要射频功率放大器具备较大输出功率。
而分析GaN功率器件可知,在实际应用中表现出高效率、高功率、高可靠性优势,但应用到现代雷达及装备中,必须采取有效措施提高GaN射频功率器件漏源工作电压,使得输出功率、功率密度可以不断提升。
针对此,文章深入探究GaN功率器件失效原因,并提出有效措施,提升其应用可靠性。
一、GaN功率器件失效原因分析(一)电压过冲如图1所示,为典型GaN功率放大器电路。
分析可知,GaN功率放大器如果工作在脉冲条件环境下,为有效避免射频脉冲信号宽度损失,往往会让漏极电压脉宽超过信号脉宽,并且将信号脉宽嵌入到漏极电压脉宽中。
而当输入微波信号出现突然断开情况,此时功放漏极电流会发生较大变化,以非常快的速度降低[1],并且因为偏置线的存在,使得感抗L s会对电流突变产生一定阻碍作用,此种情况下功率放大器漏极电压为:U=V ds+L s(di/dt)。
当中di/dt表示功放漏极电流变化率,V ds则代表功放正常工作电压,而dt表示发射射频脉冲下降沿。
三代半导体功率器件的特点与应用分析

三代半导体功率器件的特点与应用分析一、概览随着科技的飞速发展,半导体功率器件在各个领域得到了广泛的应用,尤其是三代半导体功率器件。
三代半导体功率器件是指以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等新型半导体材料为主要成分的功率器件。
相较于传统的硅基半导体功率器件,三代半导体功率器件具有更高的性能、更低的功耗和更高的可靠性,因此在新能源、智能电网、电动汽车等领域具有巨大的潜力和市场前景。
自20世纪80年代以来,随着半导体材料和工艺的不断进步,三代半导体功率器件逐渐成为研究热点。
从第一代的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)到第二代的双极型晶体管(BJT),再到第三代的功率半导体器件,如肖特基二极管(SBD)、金属有机半导体场效应晶体管(MOSFET)和碳化硅功率器件等,其性能和应用范围都在不断提高。
高性能:与传统硅基半导体功率器件相比,三代半导体功率器件具有更高的工作电压、更高的电流承载能力和更高的开关速度,能够实现更高的能效转换。
低功耗:由于其较低的导通电阻和较高的载流子迁移率,三代半导体功率器件具有较低的功耗,有利于提高系统的整体能效。
高可靠性:三代半导体功率器件具有较低的温升系数和较好的抗辐射性能,能够在恶劣环境下稳定工作,提高了系统的可靠性。
随着三代半导体功率器件性能的不断提升,其在各个领域的应用也日益广泛。
主要应用于新能源汽车、智能电网、太阳能发电、风力发电、储能系统等领域,为实现能源的高效利用和清洁能源的发展提供了有力支持。
此外随着5G通信技术的普及,三代半导体功率器件在无线充电、数据中心等新兴领域也展现出巨大的潜力。
1. 背景介绍随着科技的飞速发展,半导体技术在各个领域都取得了显著的成果。
特别是三代半导体功率器件,因其高效、节能、环保等特点,已经成为现代电力电子、通信、照明等领域的关键元件。
本文将对三代半导体功率器件的特点与应用进行深入分析,以期为相关领域的技术研究和产业发展提供参考。
半导体材料Si、SiC和GaN 优势及瓶颈分析

溺于刷“帅哥美女”。
今天我们再来聊聊这三兄弟~1.厚积薄发,应运而生作为半导体材料“霸主“的Si,其性能似乎已经发展到了一个极限,而此时以SiC和GaN为主的宽禁带半导体经过一段时间的积累也正在变得很普及。
所以,出现了以Si基器件为主导,SiC和GaN为”游击”形式存在的局面。
在Si之前,锗Ge是较早用于制造半导体器件的材料,随后Si以其取材广泛、易形成SiO2绝缘层、禁带宽度比Ge大的优势取代了Ge,成为主要的半导体材料。
随着电力电子技术的飞速发展,Si基半导体器件也在飞速发展,电流、电压等级越高,芯片越薄越小、导通压降越小、开关频率越高、损耗越小等等。
任何事物的发展,除了外在力的作用,自身特性也会限制发展,Si基半导体器件似乎已经到了”寸步难行”的地步。
而此时,以碳化硅SiC和氮化镓GaN 为主的新型半导体材料,也就是我们常说的第三代宽禁带半导体(WBG)”破土而出”,以其优越的性能突破的Si的瓶颈,同时也给半导体器件应用带来了显著的提升。
相对于Si,SiC和GaN有着以下几点优势:❶禁带宽度是Si的3倍左右,击穿场强约为Si的10倍;❷更高的耐压能力以及更低的导通压降;❸更快的开关速度和更低的开关损耗;❹更高的开关频率;❺更高的允许工作温度;❻SiC具有更高的热导率;根据上面的优势,第三代宽禁带半导体器件,能够达到更高的开关频率,提高系统效率,同时增大功率密度等,但是目前推动的最大推动力还得看成本!2. SiC&GaN目前,SiC和GaN半导体器件早已进入商业化,常见的SiC半导体器件是SiCDiode、JFET、MOSFET,GaN则以HEMT(高电子迁移率晶体管)为主。
2.1 SiC半导体器件不同类型的碳化硅器件结构和工艺难度都不一样,一般都是依据其工艺难度依次推出的。
可知,SiCDiode便是较早实现商业化碳化硅半导体器件,同时也是历经内部结构和外部封装优化最多的器件,自身耐压能力、抗浪涌能力和可靠性都得到了大大提高,是目前成熟的SiC半导体器件。
SiC和GaN是“下一代”还是“当代”?

SiC和GaN是“下一代”还是“当代”?SiC 企业不断增多,成本不断下降一文中,作者根津在开篇写道:下一代功率半导体已经不再特别。
这是因为,随着使用SiC 和GaN 等下一代功率半导体的大量发布,在学会和展会的舞台上,这种功率半导体逐渐带上了当代的色彩。
那么,在使用功率半导体的制造现场,情况又是如何呢?虽然使用SiC和GaN 的产品目前尚处开始增加的阶段,仍属于下一代,但在功率半导体使用者的心目中,此类产品已逐渐由下一代向当代转变。
不久前,笔者与一位很久未见的、多年来从事电源技术研发的朋友碰面,对方上来便说:耐压600V 的GaN 器件已经问世啦!因为这次碰面是为了其他事情,这句话实在出乎笔者预料。
这位技术人员表示,自从松下于2013 年3月开始、夏普于同年4 月开始供应样品之后,电源技术人员的开发热情高涨了起来。
虽然在这以前也有部分企业推出了实用产品,但随着供应商的增加,使用GaN 器件开发电源已成了手头的工作之一。
这位电源技术者说,自己将使用GaN 器件,开发开关频率提高近一位数的电源电路。
功率半导体的研讨会也盛况空前。
《日经电子》6 月28 日举办的下一代功率半导体的影响力研讨会座无虚席,在测量器厂商泰克(Tektronix)与安捷伦科技(Agilent Technologies)各自举办的活动(泰克为7 月2 日举办,安捷伦科技为7 月9~10 日举办)上,有关功率半导体评估方法的会议也迎来了大批听众。
在泰克的活动中,笔者参加了与电流和电压测量相关的会议,会议详细介绍了kV 级大电压的测量方式和要点,给笔者留下了深刻的印象。
在安捷伦科技的活动中,笔者参加了与下一代功率半导体的评估方法相关的会议,通过询问与会者的职务,笔者发现,约4 成与会者的工作都是功率半导体的使用者,。
GaN与Si器件在DC

Telecom Power Technology设计应用技术 2023年4月25日第40卷第8期· 49 ·Telecom Power TechnologyApr. 25, 2023, Vol.40 No.8 高 莹:GaN 与Si 器件 在DC/DC 变换器中的性能分析云计算、人工智能、机器学习以及多用户游戏等先进计算应用对功率转换器的要求日益增高,而硅基功率转换器不能满足日益增长的功率需求。
因此,面向 48 V 功率转换应用,氮化镓器件也可提高其效率、缩小尺寸并降低系统成本。
未来,随着GaN 功率器件的技术不断突破,氮化镓功率电子器件的市场将由以下5大应用牵引:目前渗透率较大的(小型)电源设备、无线电源、渗透率中等的数据存储中心、未来有较大市场可能的新能源汽车以及(汽车)激光雷达等[2]。
2 DC/DC 变换器实验设计与验证2.1 拓扑选择与损耗分析实验基于LLC 电路作为DC/DC 变换器的主功率电路(如图1所示),并且与对比实验使用完全相同的控制器件与相关回路。
图1中,Q 1~Q 4为全桥LLC 电路的原边功率管,SR 1~SR 4为副边整流功率管,L r 、C r 为谐振器件[3]。
SR 3SR 4U OSR 1SR 2L rL mn∶1∶1C rQ 2Q 3Q 1U inQ 4图1 LLC 电路拓扑的主电路假设变换器的工作状态相同,仅有功率器件不同,可以忽略其他部分的损耗差异,则变换器的损耗差异主要包括导通损耗与开关损耗。
下面对功率器件损耗进行定性分析。
(1)导通损耗。
Q 1~Q 4、SR 1~SR 4在导通期间,流经功率器件的电流包含直流负载电流和纹波电流2部分内容,则损耗为 P =(I L +I acrms )R dson D (1)式中:D 为变换器的占空比;I L 为电感电流;I acrms 为纹波电流。
(2)开关损耗。
原始应用Si-MOSFET 功率器件的LLC 谐振变换,当开关频率与谐振频率相等,电路工作在谐振频率点时,可以消除功率器件的反向恢复损耗,即原边开关管工作在零电压开关(Zero Voltage Switch ,ZVS )模式,同时整流电路因为工作在断续条件而实现零电流模式。
新能源汽车功率半导体第三代化合物半导体SiC及GaN应用分析报告

新能源汽车功率半导体第三代化合物半导体SiC及GaN应用分析SiC主要用于实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻化。
SiC器件相对于Si器件的优势之处在于,降低能量损耗、更易实现小型化和更耐高温。
SiC适合高压领域,GaN更适用于低压及高频领域。
SiC是第三代半导体材料的代表。
以硅而言,目前SiMOSFET应用多在1000V以下,约在600~900V之间,若超过1000V,其芯片尺寸会很大,切换损耗、寄生电容也会上升。
SiC器件相对于Si器件的优势之处在于,降低能量损耗、更易实现小型化和更耐高温。
SiC 功率器件的损耗是Si器件的50%左右。
SiC主要用于实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻化。
SiC的开关损耗数据来源:公开资料整理英飞凌和科锐占据了全球SiC市场的70%。
罗姆公司在本田的Clarity上搭载了SiC 功率器件,Clarity是世界首次用FullSiC驱动的燃料电动车,由于具有高温下动作和低损耗等特点,可以缩小用于冷却的散热片,扩大内部空间。
2017年全球SiC功率半导体市场总额达3.99亿美元。
预计到2023年市场总额将达16.44亿美元,年复合增长率26.6%。
从应用来看,混合动力和纯电动汽车的增长率最高,达81.4%。
从产品来看,SiCJFETs的增长率最高,达38.9%。
其次为全SiC功率模块,增长率达31.7%。
政策支持力度大幅提升,推动第三代半导体产业弯道超车。
国家和各地方政府持续推出政策和产业扶持基金支持第三代半导体发展。
2018年7月国内首个《第三代半导体电力电子技术路线图》正式发布,提出了中国第三代半导体电力电子技术的发展路径及产业建设。
福建省更是投入500亿,成立专门的安芯基金来建设第三代半导体产业集群。
GaN应用场景增多,迎来发展机遇。
由于GaN的禁带宽度较大,利用GaN可以获得更大带宽、更大放大器增益、尺寸更小的半导体器件。
GaN。
器件可以分为射频器件和电力电子器件。
SIC与GAN的发展中存在的问题

SiC和GaN功率器件发展中存在的问题近年来,Si功率器件结构设计和制造工艺日趋完善,已经接近其材料特性决定的理论极限,依靠Si器件继续完善来提高装置与系统性能的潜力十分有限。
随着SiC和GaN外延材料和器件制造工艺技术取得重大进展,各种SiC和GaN功率器件的研究和开发蓬勃开展起来。
尽管SiC和GaN功率器件取得了令人鼓舞的进展,已经有了许多实验室产品,而且部分产品已经进入市场,但是SiC和GaN产品的大规模应用还需做大量工作。
1 SiC功率器件发展中存在的问题在商业化市场方面:(1)昂贵的SiC单晶材料。
由于Cree公司技术性垄断,一片高质量的4英寸SiC单晶片的售价约5000美元,然而相应的4英寸Si片售价仅为7美元。
如此昂贵的SiC单晶片已经严重阻碍了SiC器件的发展。
(2)Cree公司的技术垄断。
由于Cree公司在世界各国申请了许多专利,严重制约了其他公司在SiC领域的发展。
在技术方面:(1)SiC单晶材料虽然在导致SiC功率半导体性能和可靠性下降的致命缺陷微管密度降低和消除方面近年来取得很大进展,但位错缺陷等其他缺陷对元件特性造成的影响仍未解决。
(2)SiC器件可靠性问题。
SiC MOSFET器件目前存在两个主要技术难点没有完全突破:低反型层沟道迁移率和高温、高电场下栅氧可靠性。
与Si MOSFET相比,体现不出SiC MOSFET 的优势。
(3)高温大功率SiC器件封装问题。
2 GaN功率器件发展中存在的问题在商业化市场方面:GaN单晶生长技术还不成熟,在一定程度上阻碍了GaN功率器件的广泛应用。
由于受其外延片结构的限制,使得基于硅基的GaN功率器件击穿电压多低于1200 V,从而限制了GaN 功率器件在更高工作电压领域内的应用。
蓝宝石衬底的GaN功率器件由于衬底低的热传导系数而限制了在大功率方面的应用。
相对昂贵的SiC单晶片同样会阻碍基于SiC衬底的GaN功率器件的广泛应用。
GaN功率器件在技术方面,同样存在着诸多挑战。
碳化硅基氮化镓工艺发展趋势

碳化硅基氮化镓工艺发展趋势简介碳化硅基氮化镓是一种重要的半导体材料,具有优异的热导性、高耐温性和高电子迁移率等特点。
它在电力电子、光电子和射频应用领域有着广泛的应用。
本文将对碳化硅基氮化镓工艺的发展趋势进行探讨。
低损耗功率器件•器件介绍碳化硅基氮化镓功率器件主要包括肖特基二极管、场效应晶体管和双极性晶体管等。
它们具有低损耗、高工作频率和高温稳定性的特点,适用于电力电子和微波射频应用。
•工艺改善方向1.材料质量的提高:改善材料纯度、缩小晶格缺陷、降低缺陷密度和提高晶体质量,以提高器件性能。
2.界面品质的优化:改善材料之间的界面质量,降低接触电阻和氧化速度。
3.工艺参数的优化:调整工艺参数,控制材料和器件的性能。
•发展趋势1.高集成度:通过改进工艺,提高晶体生长质量和器件制备工艺,实现高集成度的功率器件。
2.高功率密度:通过结构优化,减小芯片尺寸和散热设计,提高功率密度和热分布均匀性。
3.高工作频率:改进材料纯度和晶体结构,降低器件电阻和电容,提高工作频率。
高效高亮度发光二极管•器件介绍碳化硅基氮化镓发光二极管是一种重要的光电子器件,具有高效率、高亮度和长寿命等特点。
它被广泛应用于照明、显示和通信等领域。
•工艺改善方向1.材料增长技术:改善碳化硅和氮化镓材料生长技术,提高晶体质量和均匀性。
2.光电转化效率:提高电子注入效率、载流子扩散速率和光子释放效率,提高发光二极管的亮度和效率。
3.封装技术改进:优化封装工艺,提高散热效果,延长器件寿命。
•发展趋势1.高亮度:通过改进材料质量和结构设计,提高发光二极管的亮度和光效。
2.多色发光:研发多色发光二极管,满足不同应用场景的需求。
3.高可靠性封装:改进封装工艺,提高发光二极管的耐热性和耐湿性,提高器件的可靠性。
高频射频器件•器件介绍碳化硅基氮化镓在射频领域具有优异的性能,被广泛应用于无线通信和雷达等高频设备中。
高频射频器件包括功率放大器、开关和滤波器等。
•工艺改善方向1.降低杂质水平:减少杂质的引入和杂质分布,提高器件的品质因子。
电子设备行业深度研究:SiC:功率皇冠上的明珠,行业进入黄金期

[Table_Title]电子设备行业深度研究SiC:功率皇冠上的明珠,行业进入黄金期2021 年 12 月 20 日【投资要点】◆SiC高性能材料,适用于高压、高频场景。
与Si相交,SiC禁带宽度更大,热导率、击穿电厂强度更高,在高压高频等应用场景具有优势。
与SI器件相较,SiC器件的特性有1)耐高温,SiC器件的极限工作温度为600℃以上,Si器件不能超过300℃。
2)易散热,SiC材料的热导率是Si的2-3倍,因此SiC器件对散热设计的要求更低。
3)低损耗,相同规格下,SiC MOS的总能量损耗较Si IGBT降低70%。
4)可实现更高的工作频率。
因此SiC器件适用于高频率开关、650V-3.3kV 高压场景,目前制约SiC大规模应用的因素是价格,我们预计随着上游衬底产能逐步释放,良率提高,价格或将逐步降低。
◆SiC市场进入风口期。
根据Yole数据,全球SiC功率器件市场规模将从2019年的5.4亿美元增加至2025年的25.6亿美元,CAGR为30%,根据CASA Research数据,2020-2025年中国SiC、GaN电力电子器件市场规模CAGR为45%,新能源汽车和光伏储能是SiC功率器件增长的主要推动力。
补能焦虑是新能源汽车阿喀琉斯之踵,汽车800V高压平台技术逐渐冒尖,使用SiC的新能源汽车系统成本或与使用Si器件成本相差不大,因此我们认为汽车高压平台涌现促进SiC器件渗透率提升。
此外SiC器件能够促进能源高效转换,在光伏储能领域也起着至关重要作用,CASA预计至2025年光伏逆变器中SiC器件占比将提升至50%。
◆产能扩张+衬底尺寸扩大是未来的趋势。
SiC晶圆制造难度较大,全球SiC晶圆供给紧张,美国在SiC晶圆市占率较高,我们认为主因发达国家较早布局SiC晶圆片。
各国纷纷布局SiC产业,通过产能扩张和扩大衬底尺寸缓解产能紧平衡的状态,中国也在加大投资力度缩小与国外差距。
中国与全球在SiC产业的差距表现有:1)衬底:目前全球SiC衬底从6吋向8吋逐渐演变,中国SiC商业化衬底以4吋为主,正在逐步向6吋过渡。
2024年功率半导体市场发展现状

2024年功率半导体市场发展现状1. 引言功率半导体是电力电子领域的重要组成部分,用于控制和调节电能的转换和传输。
近年来,随着能源需求的增长、绿色能源的发展以及电动汽车等新兴领域的快速发展,功率半导体市场呈现出蓬勃发展的态势。
本文将对功率半导体市场的现状进行分析和总结。
2. 市场规模和发展趋势随着电力电子产品的广泛应用,功率半导体市场规模持续扩大。
根据市场研究数据,全球功率半导体市场规模预计将在未来几年内以年均增长率超过10%的速度增长。
这主要得益于以下几个方面的推动因素:•工业自动化和新能源工业自动化的快速发展和对新能源的需求推动了功率半导体市场的增长。
工业自动化需要大量的功率半导体来实现高效的能源转换和控制。
同时,新能源领域的快速发展也需要大量的功率半导体设备来实现电能的转换和传输。
•电动汽车和充电设施电动汽车市场的快速增长对功率半导体市场的需求产生了巨大的影响。
电动汽车中的电力电子控制单元常使用功率半导体器件,如IGBT、MOSFET等。
此外,充电设施的建设也需要大量的功率半导体器件来实现快速充电和高效能源转换。
•智能家居和消费电子智能家居和消费电子产品的普及也对功率半导体市场的增长起到了推动作用。
智能家电和消费电子中的电力电子控制单元需要使用功率半导体器件来实现高效的能量转换和传输。
3. 技术进展和创新功率半导体领域的技术进展和创新对市场发展起到了重要的推动作用。
近年来,一些新的功率半导体技术和器件逐渐成熟并商业化,为市场提供了更多的选择和可能性。
以下是一些技术进展和创新的例子:•碳化硅(SiC)碳化硅是一种新型的功率半导体材料,相比传统的硅材料,具有更高的能耗效率和更好的温度特性。
碳化硅器件可以在高温和高压的环境下工作,适用于一些特殊应用场合,如电动汽车、高速列车等。
•氮化镓(GaN)氮化镓是另一种新型的功率半导体材料,具有高频特性和高效能特性。
GaN器件在功率密度和开关速度方面具有优势,适用于一些高频率、高效率的应用领域,如通信设备、服务器电源等。
Si衬底上外延生长GaN基射频电子材料的研究进展

冲层 [2-4] 、Al 组分梯度渐变 AlGaN 缓冲层 [5-6] 等方法,已能初步满足低阻 Si 衬底上 GaN 基功率电子器件对材
料的要求;然而目前高阻 Si 衬底上 GaN 及其异质结构材料仍然存在很高的位错密度,其应力 / 翘曲控制仍然
困难,严重影响器件的性能及可靠性。
此外,尽管采用高阻 Si 衬底,射频损耗仍然是阻碍 Si 衬底上 GaN 基射频电子材料和器件发展的关键瓶
颈。 其内涵是 Si 衬底上 GaN 基射频器件在信号传输时存在传输的损耗,这会造成信号精准性和器件工作效
率的下降。 Si 衬底上 GaN 基射频器件的射频损耗主要包括 4 个部分 [7] :1) 导体损耗,也可称为传输线损耗。
YANG Xuelin1,2,3 , SHEN Bo1,2,3,4
(1. Research Center for Wide Gap Semiconductors, Peking University, Beijing 100871, China;
2. State Key Laboratory of Artificial Microstructure and Microscopic Physics, Peking University, Beijing 100871, China;
这部分损耗主要与选择的传输线结构、几何尺寸、金属材料及工艺等因素相关,可以通过相对应的工艺优化
进行解决。 2) 衬底损耗。 这部分损耗可以通过使用高阻的 Si 衬底进行解决。 3) 由于 Si 衬底和半导体界面
的导电层带来的界面损耗。 4) 无法避免的辐射损耗,这部分损耗通常可以忽略不计,只在严重失配或者特
碳化硅基氮化镓与硅基氮化镓在射频领域的应用-概述说明以及解释

碳化硅基氮化镓与硅基氮化镓在射频领域的应用-概述说明以及解释1.引言1.1 概述:碳化硅基氮化镓与硅基氮化镓是当前射频领域中备受关注的两种材料。
碳化硅基氮化镓具有优异的热特性和耐高温性能,适用于高功率射频器件的制造。
而硅基氮化镓具有较好的绝缘性能和低损耗特性,适用于低功率射频器件的制造。
本文将重点介绍这两种材料的特性,并探讨它们在射频领域中的应用。
通过对比分析,希望能够为射频器件的设计和制造提供参考,促进射频技术的发展与进步。
1.2 文章结构文章结构部分内容如下:本文分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分,我们将对碳化硅基氮化镓和硅基氮化镓进行简要概述,并介绍本文的结构。
在正文部分,我们将分别介绍碳化硅基氮化镓和硅基氮化镓的特性,以及它们在射频领域中的应用。
最后,在结论部分,我们将总结碳化硅基氮化镓与硅基氮化镓的优势,展望未来发展方向,并给出最终的结论。
整个文章将深入探讨这两种材料在射频领域的应用,并为相关领域的研究提供参考和启发。
1.3 目的目的:本文旨在对碳化硅基氮化镓(SiC-GaN)与硅基氮化镓(Si-GaN)在射频领域的特性和应用进行深入探讨和比较分析。
通过对两种材料的性能特点和应用优势进行对比,探讨它们在射频领域的适用性和潜在发展前景。
通过本文的研究,旨在为射频领域的工程师和研究人员提供参考和借鉴,促进碳化硅基氮化镓与硅基氮化镓在射频领域的更广泛应用和发展。
2.正文2.1 碳化硅基氮化镓的特性:碳化硅基氮化镓是一种新型半导体材料,具有一系列优良的物理特性,使其在射频领域中得到广泛的应用。
首先,碳化硅基氮化镓具有较高的热稳定性和功率容限,能够承受较高的工作温度和功率密度,适合在高温环境下进行射频器件的工作。
其次,碳化硅基氮化镓具有较高的电子迁移率和截止频率,能够实现高速的电子传输和更高的微波频率响应,使其在高频射频电路和器件中发挥着重要作用。
此外,碳化硅基氮化镓具有良好的载流子迁移特性和较高的击穿场强,能够实现低损耗的功耗和较高的工作频率。
氮化镓(GaN)功率器件的特点、应用及发展

氮化镓(GaN)功率器件的特点、应用及发展现有硅功率器件已经达到了理论极限,而第三代半导体材料中氮化镓材料的基础参数更加优异,也将具有更大的发展空间。
本文从GaN功率器件的基础参数分析其特点和优势,列举其在消费类电源和电动汽车领域的应用,最后阐述现有国家政策和国内产业链发展情况。
标签:氮化镓(GaN);消费类电源;电动汽车;新基建。
随着硅功率MOSFET技术的不断发展,其参数达到了硅基器件的理论极限。
而作为第三代半导体材料中的SiC和GaN为原材料的功率器件则是优良的升级品。
本文主要对GaN功率器件的特点、应用和发展进行论述。
由表1得出GaN材料的特性包括禁带宽度大、临界击穿电场高、电子迁移率较高、饱和漂移速度高及导热率大。
高的禁带宽度意味着具有较低的本征泄露电流和较高的工作温度。
在相同击穿电压下,GaN材料的高临界击穿电场可以使漂移区厚度可以比硅器件小1/10左右,体积更小,寄生参数更小。
理论导通电阻与偏移区厚度成正比,与电子迁移率成反比。
所以,较小的偏移区厚度和较高的电子迁移率可以使导通电阻进一步降低。
高饱和漂移速度,说明更适合高频工作。
导热率越大,说明其传递热量的能力越强,则更适宜于高温环境[1]。
综合以上分析可知,第三代宽禁带GaN材料具有开关速度快,导通电阻低,尺寸小,耐高温等特点,所以GaN功率器件适合高频、高温、高效率的应用环境,能够有效减小系统尺寸,提高功率密度,并最终降低系统成本。
二、氮化镓功率器件的应用1.消费类电源的应用目前,手机和电脑已成为生活的必需品,而配套电源充电器也随之升级换代。
在2018年11月6日,联想发布了thinkplus口红电源,标准功率输出65W,兼容绝大多数Type-C供电的电脑和手机。
在2019年9月17日,OPPO发布了一款标配65W的GaN快充充电器。
这也是第三代半导体GaN材料首次应用于手机原装快充充电器。
在2020年的1月7日到1月10日的CES2020展会上,共有约30个厂商推出60多款GaN快充产品。
高耐压Si基GaN功率电子器件

GUAN B a n g h u ' KONG Ce n GE NG Xi j i a o LU Ha i y a n NI J i n g y u Z HOU J i a n j u n KONG Yu e c h a n F ENG J u n 。 CHEN Ta n g s h e n g
Ab s t r a c t :Ga N h i g h e l e c t r o n mo b i l i t y t r a n s i s t o r( H EM T) wi t h b r e a k d o wn v o l t a g e o f 5 3 与 光 电集 成 电 路研 究 所 , 南京 , 2 1 0 0 9 6 )
2 0 1 3 — 0 7 — 1 7收 稿 , 2 0 1 3 — 0 9 — 0 4收 改 稿
摘要: 基于 S i 基G a N HE MT材 料 制 作 了 击 穿 电 压 5 3 0 V、 无 场 板 的 功 率 电 子 器 件 。器 件 制 作 工 艺 与 现 有 Ga N 微 波 功 率 器 件 工 艺 兼 容 。研 究 了 器 件 栅 漏 间距 与 击 穿 电压 的关 系 。器 件 栅 宽 为 1 0 0 m, 栅 漏 间距 为 1 5/ L m时, 得 到的 G a N HE MT器 件 击 穿 电 压 5 3 0 V, 最大电流密度 5 3 6 mA/ mm。器 件 的 特 征 通 态 电阻 为 1 . 5 4 mn ・ c m , 是 相 同击 穿 电压 S i MOS F E T 器 件 特 征 通 态 电 阻 的二 十 五 分之 一 。 所制 作 的 6 I n r l l 栅 宽器 件击 穿 电 压 4 0 0 V, 输 出 电 流 2 A。该 器件 的 研 制 为 制 作 低 成 本 Ga N HE MT 功 率 器 件 奠 定 了基 础 。
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9月5日,由国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)、中国国际光电博览会共同主办的“首届第三代半导体材料及应用发展国际研讨会”在深圳成功召开,来自中科院半导体研究所、南京大学、北京大学、科锐公司、西安电子科技大学等研究机构以及企业的近百名人士参加了此次会议。
苏州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功率器件的发展态势分析》为题的报告,通过详细讲解氮化镓(GaN)的优势、硅(si)基氮化镓的产品优势、氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)电力电子器件的关系、LED介入氮化镓功率器件可选的商业模式和影响等等方面的内容,介绍了发展硅基氮化镓的功率器件的原因、硅基氮化镓半导体的行业状况、氮化镓功率材料与器件的市场前景和硅基氮化镓功率半导体的技术发展方向。
他首先简单以美国为例介绍了基于半导体技术应用的节能情景,他表示,半导体技术应用以后,美国每年的节省的电费达到万亿美元,采用新一代功率器件后,电力损耗还能再减少30%。
他指出氮化镓相比较硅的优点包括三个方面,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,功率密度提升;第三点是耐高温,GaN可以在500℃以上的高温环境使用。
在氮化镓和碳化硅电子器件之间的关系方面,张乃千董事长表示,氮化镓比较适合900v以下的器件,它是一个平面器件;从材料方面它们不是一个材料,它的优势是氮化镓的原材料可以依托庞大的照明产业,成本较低:氮化镓可以一直生长在一个大的硅片上,既可以降低控制成本,又可以投入大规模生产;氮化镓的规模化是很重要的,氮化镓(GaN)器件制作需要的设备可借助于硅工业,易于大规模产业化。
张乃千就氮化镓器件的市场前景对市场空间和市场大小做了简单介绍,他说,今年所有的半导体器件加一起包括材料,大概有不到200亿美元,到2020年可能将达到400亿美元,它的发展相对平稳,不像LED企业起伏比较大。
而在这个市场中,大概有三分之二的市场属于工业电压比较低的的900v以下,高于900v的占三分之一,氮化镓比较适合于大概三分之二的市场,这个市场相当的大。
氮化镓行业发展状况方面,张乃千指出,在行业发展中,氮化镓起步比较早,通过政府和行业的的推动,氮化镓行业1993年出现了UCSB第一个氮化镓射频器件,1999年出现了第一个氮化镓电子电力器件,2007年在6寸硅衬底上长出了氮化镓,基本从应用的角度开始了推进;而美国欧洲也分别在2002年和2007年启动了推动计划;2013年出现了通过了JEDEC质量标准的硅基氮化镓功率器件,同时中国科技部推出了第三代半导体863计划。
张乃千说,目前进入硅基氮化镓这个行业的大概有五种企业,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、氮化镓风险企业和LED照明企业。
其中世界排名前20的功率半导体企业基本上都在做,现在基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非常合适的,LED照明最主要的是材料,材料引领产业,LED 的MOCVD产能相当大,不仅能够满足LED的发展,也还能够满足电子器件的发展。
LED
厂商也可以多样化经营,可以把过剩的产能分配给功率电子,能够逐渐走进硅基氮化镓这个行业。
虽然LED转向氮化镓有很大的优势,但也并不是想转就能转的,从材料来讲需要要达到6寸、8寸的变化,器件的制作和设计与LED有一定差异。
因此LED需要将衬底从蓝宝石衬底变为大尺寸Si衬底,还要学习和使用功率器件设计和加工技术。
LED介入氮化镓功率器件的商业模式有两种,张乃千指出,第一种是自己做,包括生产氮化镓外延材料并制造功率器件,第二种是提供氮化镓功率外延片给器件生产商。
张乃千说,LED行业介入氮化镓功率器件最有诱惑的一点是它的成本可以削减,在LED 的发展过程中,固定资产的投入折旧占了很大一部分,从这个角度讲,外延的成本能够削减20%,总体而言成本可以削减10%左右。
张乃千提出,在所有工艺半导体成长中,随着氮化镓材料可以在6寸到8寸的晶圆上生长之后,制作很快也会朝着6寸到8寸发展。
他说,未来氮化镓的主要发展方向是6寸到8寸,并以8寸为主。
同时,他还指出了氮化镓在发展之初存在的7个技术问题:
外延技术:外延技术具有很大的热失配和晶格失配难点,特别是热失配,需要运用应力工程的方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衬底上使用AlN成核层和AlGaN中间层制作了功率器件,现在华测、三星等企业都能生产比较的好的氮化镓材料。
提高击穿电压:氮化镓和碳化硅不一样,制作结构中对击穿电压有很多要求,除了我们常见的长板结构是所有的线都要用的,涉及的氮化镓非常的多,主要有几个方面,首先是涉及缓冲层,氮化镓硅基要在氮化镓和硅基中间产生一个不导电的缓冲层;第2种方法是通过PN加减的方式把压降反过来或压降到一个统一的方向,随着电压减少效果越来越差,但也能起到一定作用;第3个方法是把硅去掉,氮化镓粘到不导电的芯片上面。
三、实现常关型器件:氮化镓刚出现的时候RS器件是常开型的,所以常关型的器件对电子电源非常重要,也有几个方向,首先是凹槽栅方向,通过干法刻蚀减薄栅极下势垒层的厚度,减弱或完全消除栅极区域的极化效应,这个技术刚开始应用的比较多;其次是p-GaN 栅技术,美国EPC、德国FBH和日本Meijo大学等使用了该技术。
后来香港科技大学发展了氟离子注入方式,比较适合平面器件。
最后是Cap的方式,这方式适合应用在硅的器件中,硅器件的抗耐热还有电源上面都会存在有一定问题。
抑制电流崩塌效应:开关中开和关需要,我们希望它能把氮化镓高速的性能发扬出来抑制电流崩塌效应。
表面钝化,减少RF信号电流崩塌效应;场板方法,现在电厂在做防止电流崩塌;还有生长冒层的结构,这几个结构跟RS器件的结构比较类似,RS器件结构也有电流崩塌效应。
硅工艺兼容的制造工艺:大规模的应用硅工艺,我们现阶段的LED产业的重金属对硅工艺有损害的,同时它的成本也比较高,硅工艺兼容的制造工艺发展方向,像士兰微既做LED也能够做硅是一个比较好的结合。
可靠性:功率器件的可靠性是非常重要的,特别是电流,它是一个系统中最核心的一个部件,电源有七个角度分析器件失效的方向,器件失效是我们做器件一个主要的研究方向。
例如:电子器件的热效应比较强,在很高的热的情况下直流加速下失效,跟氮化镓中看不见的氮有一定关系。
功率集成技术:氮化镓器件的电压比较小,这跟高电压器件不太一样,它的电压比较小适合,它需要集成电压,它的控制和速度都容易提高起来。
总的来说氮化镓电子器件的发展不是一年两年的事情,这需要很长的时间,首先前3年要做技术开发,同时质量认证和产能提高也很重要,因为电子期间的制作过程远远比LED 要复杂,这是一个周期比较长的产业。
从今年开始,氮化镓的销售额在逐年增长,到2020年可能会达到几亿美元或者20亿美元的销售(不含国防应用),这个也是可喜的一面,同时我们切入的电子器件市场到2020年也能达到6%的市场,这是对氮化镓的相对市场的认识。
张乃千最后对硅基氮化镓的市场认识总结道,GaN功率器件的社会效益比较高,市场机会比较大,值得我们进入市场。
在中国发展Si基GaN功率半导体有着良好的基础。
但是我们要认识到这个行业的复杂度比较高,因为材料涉及到微电子制造,存在一定的技术问题,它不等同于微电子技术,切入有一些难度,所以企业有必要开展广泛的合作,不仅是我们的产业,微电子产业、跨国半导体产业、LED产业之间都要加强相互合作,要产学研用,共享合作。
目前我们的产业刚刚起步,还处于投入期,而不是发展收获期,都具有一定的风险,在这种情况下政府的引导、协调、帮助都是至关重要的。