本土闭环有望颠覆汽车功率半导体未来

2021-03-05 10:27:27

一、下游应用驱动,GaAs、GaN 和 SiC 各领风骚

1.化合物半导体具有物理特性优势

化合物半导体物理特性具有独特优势。半导体材料领域共经历三个发展阶 段:第一阶段是以硅、锗为代表的 IV 族半导体;第二阶段是以 GaAs 和 InP 为 代表的 III-V 族化合物半导体,其中 GaAs 技术发展成熟,主要用于通讯领域;第三阶段主要是以 SiC、GaN 为代表的宽禁带半导体材料。硅材料技术成熟, 成本低,但是物理性质限制了其在光电子、高频高功率器件和耐高温器件上的 应用。相比硅材料,化合物半导体材料在电子迁移速率、临界击穿电场、导热 能力等特性上具有独特优势。

硅材料主导,化合物半导体在射频、功率等领域需求快速增长。目前全球 95%以上的芯片和器件是以硅作为基底材料,由于硅材料极大的成本优势,未来 在各类分立器件和集成电路领域硅仍将占据主导地位。但是化合物半导体材料独 特的物理特性优势,赋予其在射频、光电子、功率器件等领域的独特性能优势。

2.GaAs 主导 sub-6G 5G 手机射频

具体而言,GaAs 在 5G 手机射频和光电子领域占据主导地位。GaAs 是最 为成熟的化合物半导体,具有较高的饱和电子速率及电子迁移率,使得其适合 应用于高频场景,在高频操作时具有较低的噪声;同时因为 GaAs 有比 Si 更高 的击穿电压,所以砷化镓更适合应用在高功率场合。因为这些特性,砷化镓在 sub-6G 的 5G 时代,仍然将是功率放大器及射频开关等手机射频器件的主要材 料。根据 Qorvo 报告,5G 手机中射频开关从 4G 手机的 10 个增加至 30 个、功率放大器平均单机价值从 4G 手机的 3.25 美元增加至 7.5 美元,这些都带动 砷化镓器件市场规模的增长。GaAs 的另一个优点是直接能隙材料,所以可以 制作 VCSEL 激光器等光电子器件,在数据中心光模块、手机前置 VCSEL 3D 感应、后置 LiDAR 激光雷达等应用带动下,光电子器件是砷化镓器件增长的另 外一个重要驱动因素。

3.GaN 在 5G 宏基站射频 PA的大发展

相较于 Si 和 GaAs 的前两代半导体材料,GaN 和 SiC 同属于宽禁带半导 体材料,具有击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小 等特点,具有低损耗和高开关频率的特点,适合于制作高频、大功率和小体积 高密度集成的电子器件。GaN 的市场应用偏向微波器件领域、高频小电力领域 (小于 1000V)和激光器领域。相比硅 LDMOS(横向双扩散金属氧化物半导 体技术)和 GaAs 解决方案,GaN 器件能够提供更高的功率和带宽,并且 GaN 芯片每年在功率密度和封装方面都会取得飞跃,能比较好的适用于大规模 MIMO 技术,GaN HEMT(高电子迁移率场效晶体管)已经成为 5G 宏基站功 率放大器的重要技术。目前在宏基站上 GaN 主要采用使用 SiC 衬底(GaN on SiC),由于 SiC 作为衬底材料和 GaN 的晶格失配率和热失配率较小,同时热 导率高,更容易生长高质量的 GaN 外延层,能满足宏基站高功率的应用。

除了运用在基站,消费电子快充市场是 GaN 另外一个快速增长的领域。相 较于硅基功率器件,GaN 能大大缩小手机充电器体积。消费电子级快充主要采 用硅基衬底(SiC on Si)。虽然在硅衬底上难生长高质量 GaN 外延层,但是成 本远低于 SiC 衬底,同时能满足手机充电等较小的功率需求。随着安卓厂商和 第三方配套厂商陆续推出相关产品, GaN 快充有望在消费电子领域快速普及。在光电子领域,凭借宽禁带、激发蓝光的独特性质,GaN 在高亮度 LED、激光 器等应用领域具有明显的竞争优势。

4.SiC 有望颠覆汽车功率半导体未来

与 GaN 同属于宽禁带材料的 SiC 同样具有饱和电子漂移速度高、击穿电 场强度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强等特点,并且与 GaN 相比, SiC 热导率是 GaN 的三倍,并且能达到比 GaN 更高的崩溃电压,因此在高温 和高压领域应用更具优势, 适用于 600V 甚至 1200V 以上的高温大电力领域, 如新能源汽车、汽车快充充电桩、光伏和电网。

电动车高压化趋势明显。在乘用电动车领域,目前车辆电压普遍 300- 400V 左右。随着技术的发展,车企们追求更强动力性能和快充性能的意愿更为 迫切,比亚迪唐的额定电压超过 600V,保时捷 Taycan 电压平台为 800V。超 级快充和功率提升促使电动汽车不断迈向高压化

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