2018年开始氮化镓被引入快充充电器,为充电器工厂提供了巨大的发展空间,大批的传统充电器厂商纷纷转战氮化镓市场。随着苹果推出140W大功率的笔电快充方案,充电器行业向大功率快充趋势发展变得不可逆转。要足够快速充电又便于携带,电源设计上就必须提高转换效率来缩小体积,而氮化镓这种材料正好满足要求。
高效节能,材料优势显著随着科技的快速发展,半导体技术在各种电子设备中发挥着至关重要的作用。氧化镓备受关注,被视为新一代宽禁带半导体的候选者。资料显示,相对于碳化硅,氧化镓具备超宽禁带宽度(4.2~4.9eV)、高相对介电系数、超高临界击穿场强(8MV/cm)、较短的吸收截至边界及超强的透明导电性等优异的物理性能。此外,氧化镓的化学和热稳定性也很好,能够在恶劣环境或者高温环境下保持稳定性。同时能以比碳化硅和氮化镓更低的成本获得大尺寸、高质量、可掺杂的块状单晶。
具体而言,氧化镓是一种多变的半导体材料,它有六种不同的晶相,其中最稳定的是β相。β相氧化镓可以通过熔融法生长出大尺寸的单晶衬底,这对于制作高性能的功率器件是非常有利的。
氧化镓的高压高功率特性是一大优势,其击穿场强是SiC的3倍,Si的26倍,这意味着它可以承受更高的电压而不被击穿。信息、能源、航空航天等领域,对于能够承受高电压的功率器件有着巨大的需求。氧化镓还具有低损耗的优势,它的损耗是SiC的1/7,这意味着它可以节省更多的能源。从实验数据可以看出,氧化镓SBD的损耗在同等电压下,只有SiC的1/7,只有Si的1/49。作为一种高效节能的半导体材料,具有显著的优势。
这些优良的材料特性吸引了众多学者和企业的目光,成为研究的热点。中国科学院院士郝跃曾表示,氧化镓材料是最有可能在未来大放异彩的材料之一,在未来10年左右,氧化镓器件有可能成为有竞争力的电力电子器件,会直接与碳化硅器件竞争。
国际厂商目前领先,国内厂商未来可期在氧化镓这一赛道内,技术领先的企业和机构主要集中在日本、美国和中国。
日本在氧化镓的研究和产业化方面目前处于领先地位,前文提及的NCT公司,在全球氧化镓衬底市场中占据主导地位,供应全球近100%的氧化镓衬底。而日本的FLOSFIA公司也在氧化镓半导体器件的商业化方面取得了显著进展。
美国在氧化镓器件研究方面表现出强大的创新能力,如Kyma科技公司在氧化镓基片、外延晶片和器件的生产上具有优势,并且与美国国防部达成紧密的合作关系。
值得注意的是,近年来,中国的企业和研究机构在衬底和外延技术方面也取得了显著的进展。
今年2月,中国电科46所成功制备出我国首颗6英寸氧化镓单晶,技术达到了国际一线水平。
3月,西安邮电大学新型半导体器件与材料重点实验室的陈海峰教授团队成功在8英寸硅片上制备出了高质量的氧化镓外延片。
10月,北京铭镓半导体有限公司实现了4英寸氧化镓晶圆衬底技术突破,推出多规格氧化镓单晶衬底并首发4英寸(100)面单晶衬底参数。
这些进展不仅展示了中国在氧化镓材料和器件研发方面的技术实力,也为国内氧化镓的产业化和应用奠定了坚实的基础。
据预测,到2025年,氧化镓功率器件市场规模将开始超过氮化镓,2030年将达到15.42亿美元(折合人民币约110亿元),占碳化硅的40%,是氮化镓的1.56倍。
虽然目前国内氧化镓相关技术在不断取得突破,但仍与国际存在一定差距。日本、美国在晶圆衬底、外延生产、器件制造、封装测试等方面具有较强的技术实力和竞争优势。国内企业正视差距,通过积极布局,推动技术与产业链逐渐走向成熟,赶超国际龙头或许也只是时间问题。未来,国内氧化镓企业将大有可为!
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