2024年4月24-26
上海世博展览馆

半导体封测展|氮化镓风头正劲,第三代半导体材料如何发展?

随着庞大的消费电子市场,数据中心、汽车电子、新能源领域在AI、通信、自动驾驶、储能等新技术的推动下,形成了氮化镓相关器件的需求趋势。下面就跟半导体封测展小编来详细了解下吧。

事实上,目前氮化镓技术及产业链已经初步形成,相关器件快速发展,产业范围涵盖氮化镓单晶衬底、半导体器件芯片设计、制造、封测以及芯片等主要应用场景。或许,从氮化镓全球技术布局来看,中国、美国和日本为氮化镓技术布局的热门市场。美国和日本起步较早,起步于20世纪70年代初,目前全球氮化镓技术主要来源于日本,中国起步虽晚,但后起发力强劲。

此外,氮化镓成为半导体市场聚焦的新赛道,其后摩尔时代第三代半导体将崛起:

第一代半导体指:硅、锗等元素半导体材料;

第二代半导体指:砷化镓、磷化铟等具有较高迁移率的半导体材料;

第三代半导体指:碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体材料;

因此,更宽的禁带宽度意味着电子需要更多的能量从价带跃迁到导带,因此氧化镓具有耐高压、耐高温、大功率、抗辐照等特性。

半导体封测展小编觉得,随着市场资本的不断涌入,在国内第三代半导体产业政策推动下,氮化镓应用领域、市场规模快速扩大,国内以光电器件、功率器件、射频器件为主的氮化镓市场,预计2026年市场规模达突破千亿元,年复合增长率达到40.1%;相比之下,在同等规格下,宽禁带材料可以制造die size更小、功率密度更高的器件,节省配套散热和晶圆面积,进一步降低成本。

众所周知,半导体行业有个说法:“一代材料,一代技术,一代产业”在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。论其中原因,跟半导体封测展小编来逐点分析:

其一,第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装;其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用。

其二,外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能。

其三,设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料、与外延相关性很大;制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路。

其四,封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片;

从专利来源看,或许可以看到:

全球在氮化镓产业已申请16万多件专利,有效专利6万多件。其中,保护类型以发明专利为主,行业技术创新度比较高。然而,从技术发展的历史演进来看,20世纪70年代初出现氮化镓相关专利申请。因此,1994年之前尚处于探索阶段,参与企业较少。

其次,1994-2005年进入快速发展期,主要驱动力是LED照明商用化。再者,2010年开始,日本住友、日立等对氮化镓衬底大尺寸的突破和进一步产品化,促进了相关专利量的进一步快速增长。

综上所述,自2014年起,专利申请量总体趋于稳步发展态势,年专利申请量基本维持在9000件以上;在这段时期,可见光LED热度减退,GaN基FET器件、功率/射频器件、MicroLED等器件热度上升。但是与硅相比,目前的制造技术限制了氮化镓和碳化硅的成本效益,使这两种高功率材料在短期内更加昂贵。然而,这两种材料在特定半导体应用中都具有强大的优势。

随着时间的推移,鉴于其更高的电子迁移率,氮化镓将在小型高频产品中找到自己的位置;从这个意义上来说,国产氮化镓芯片的崛起,带来改变产业链模式,并让中国在新的功率电子时代成为核心玩家。半导体封测展小编觉得,氧化镓正逐渐成为半导体赛道新风口,伴随着相关技术日渐成熟,未来氧化镓技术有望不断突破瓶颈,应用不断落地,在高功率、大电压领域和碳化硅一样得到长远发展。