Der Halbleiter der vierten Generation entsteht |Kann Galliumoxid Siliziumkarbid ersetzen?

Der Halbleiter der vierten Generation entsteht |Kann Galliumoxid Siliziumkarbid ersetzen?

Mit dem Aufkommen des digitalen und intelligenten Zeitalters nimmt die Spannung in der Halbleiterindustrie weiter zu.Insbesondere mit der rasanten Entwicklung von High-Tech-Bereichen wie Quanteninformation und künstlicher Intelligenz gab es einen Vorstoß für die schnelle Aktualisierung und Iteration von Halbleiter- und multifunktionalen Gerätetechnologien.Um den Anforderungen an hohe Leistung und niedrige Kosten gerecht zu werden, hat die Industrie den Halbleiter der vierten Generation im Visier, wobei Galliumoxid der auffälligste ist.

Mit einer Reihe hervorragender Materialeigenschaften wird Galliumoxid voraussichtlich die aktuelle Landschaft des Verbindungshalbleitermarktes verändern und es einheimischen Chipherstellern ermöglichen, Durchbrüche zu erzielen.Allerdings steht Galliumoxid immer noch vor zahlreichen Herausforderungen, und dieser Artikel bietet eine detaillierte Erläuterung seiner Vorteile, Herausforderungen und Marktaussichten.

Halbleiter-Schlüsselmaterialien unter Exportkontrolle

Ab dem 1. August 2023 hat China strenge Exportbeschränkungen für Gallium und Germanium, wichtige Rohstoffe für Halbleiter, eingeführt.In der Branche gehen die Meinungen darüber auseinander, ob dieser Schritt eine Reaktion auf die verschärften Exportbeschränkungen für Fotolithografiegeräte des niederländischen Unternehmens ASML ist.Allerdings haben die USA im August 2022 auch ein hochreines Halbleitermaterial – Galliumoxid – in ihr Exportverbot für China aufgenommen.Das Bureau of Industry and Security (BIS) des US-Handelsministeriums gab bekannt, dass Halbleitermaterialien der vierten Generation wie Galliumoxid und Diamant gegen hohe Temperaturen und Drücke beständig sind, ebenso wie ECAD-Software, die für Chips mit 3 nm und weniger ausgelegt ist in den Geltungsbereich der Exportkontrolle fallen.

Damals achteten nicht viele Menschen darauf, doch ein Jahr später verhängte China Exportkontrollen für Gallium und veranlasste die Industrie, auf die kritischen Materialien für den Halbleiter der vierten Generation aufmerksam zu machen.In der Halbleiterindustrie sind Gallium und Germanium wichtige Rohstoffe für die erste bis vierte Halbleitergeneration.Da das Mooresche Gesetz heute mit Engpässen konfrontiert ist, haben Halbleitermaterialien mit größeren Bandlücken wie Diamant, Galliumoxid, AlN und BN, die hervorragende physikalische Eigenschaften aufweisen, das Potenzial, die nächste Generation der Informationstechnologie voranzutreiben.

Für China hat die Entwicklung der Halbleitertechnologie ein entscheidendes Stadium erreicht, insbesondere angesichts verschiedener von den Vereinigten Staaten verhängter Sanktionen, die Durchbrüche in dieser Technologie von entscheidender Bedeutung machen.Wenn China bei dieser Revolution in der Halbleitertechnologie erfolgreich sein kann, hat es trotz erheblicher Herausforderungen das Potenzial, sich von einem „Produktionskraftwerk“ zu einem „Produktionskraftwerk“ zu entwickeln und damit den bedeutendsten Wandel seit einem Jahrhundert einzuleiten.Dies ist nicht nur ein bedeutender Test für Chinas wissenschaftliche und technologische Fähigkeiten, sondern auch eine großartige Gelegenheit, Chinas Reaktion auf globale wissenschaftliche und technologische Herausforderungen zu demonstrieren.

Siliziumkarbid übertreffen: Vorteile von Galliumoxid

Galliumoxid, ein Halbleitermaterial der vierten Generation, bietet Vorteile wie eine große Bandlücke (4,8 eV), ein hohes kritisches Durchbruchfeld (8 MV/cm) und eine gute Leitfähigkeit.Galliumoxid hat fünf bestätigte Kristallformen, wobei β-Ga2O3 die stabilste ist.Seine Bandlücke beträgt 4,8–4,9 eV und das kritische Durchbruchsfeld erreicht 8 MV/cm.Seine Leitfähigkeit ist viel geringer als die von SiC und GaN, wodurch die Leitungsverluste des Geräts erheblich reduziert werden.Sein spezifischer Gütefaktor (BFOM) liegt bei bis zu 3400, etwa zehnmal so hoch wie der von SiC und viermal so hoch wie der von GaN.

Grafik: Halbleitermaterialien sortiert nach Bandlückenbreite

Im Vergleich zu Siliziumkarbid und Galliumnitrid kann der Wachstumsprozess von Galliumoxid ein Flüssigschmelzverfahren unter Atmosphärendruck nutzen, was zu hoher Qualität, großen Produktionsausbeuten und niedrigen Kosten führt.Allerdings können Materialien wie SiC und GaN derzeit nur mit einem Dampfphasenverfahren hergestellt werden, was höhere Temperaturen und einen höheren Energieverbrauch erfordert.Dies bedeutet, dass Galliumoxid in der Produktion möglicherweise einen Kostenvorteil hat und inländische Fabriken ihre Produktionskapazität wahrscheinlich schnell erweitern werden.

Grafik: Eigenschaften von Halbleitern der vierten Generation

Im Vergleich zu SiC zeichnet sich Galliumoxid in allen Belangen aus.Insbesondere die größere Bandlücke und das höhere kritische Durchschlagsfeld verschaffen ihm einen erheblichen Vorteil bei Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen.

Spezifische Anwendungen und Marktpotenzial von Galliumoxid

Die Entwicklungsaussichten für Galliumoxid werden immer wichtiger, da der aktuelle Markt hauptsächlich von zwei Giganten monopolisiert wird: Novel Crystal Technology (NCT) und Flosfia, beide mit Sitz in Japan.NCT begann 2012 mit der Erforschung von Galliumoxid und gelang dabei erfolgreich der Durchbruch bei Schlüsseltechnologien, darunter 2-Zoll-Galliumoxidkristalle und Epitaxietechnologie, sowie der Massenproduktion von Galliumoxidmaterialien.Seine Effizienz und hohe Leistung sind in der Branche weithin anerkannt.Im Jahr 2021 führte das Unternehmen erfolgreich 4-Zoll-Galliumoxid-Wafer in Massenproduktion durch und begann mit deren Auslieferung an Kunden. Damit behauptete das Unternehmen Japans führende Position im Wettbewerb um Verbindungshalbleiter der dritten Generation.

Den Prognosen von NCT zufolge wird der Markt für Galliumoxid-Wafer im nächsten Jahrzehnt erheblich wachsen und bis 2030 auf etwa 3,02 Milliarden RMB anwachsen. FLOSFIA prognostiziert, dass bis 2025 die Marktgröße von Galliumoxid-Leistungsgeräten beginnen wird, die von Galliumnitrid zu übertreffen. bis zum Jahr 2030 1,542 Milliarden US-Dollar (ca. 10 Milliarden RMB) erreichen, was 40 % des Siliziumkarbids und das 1,56-fache des Galliumnitrids ausmacht.Laut der Prognose von Fuji Economics wird die Marktgröße von Galliumoxid-Stromversorgungsgeräten bis 2030 JPY 154,2 Milliarden (ca. 9,276 Milliarden RMB) erreichen und damit die Marktgröße von Galliumnitrid-Stromversorgungsgeräten übertreffen.Dieser Trend spiegelt die Bedeutung von Galliumoxid in leistungselektronischen Geräten und sein zukünftiges Potenzial wider.

Weltweiter Markt für Stromversorgungsgeräte und Marktgröße für Galliumoxid-Stromversorgungsgeräte (Millionen USD), Quelle: FLOSFIA

In bestimmten Anwendungsbereichen bietet Galliumoxid erhebliche Vorteile.Im Bereich der Leistungselektronik überschneiden sich Galliumoxid-Leistungsbauelemente teilweise mit Galliumnitrid und Siliziumkarbid.Im militärischen Bereich werden sie hauptsächlich in leistungsstarken elektromagnetischen Waffen, Leistungssteuerungssystemen für Panzer, Kampfflugzeuge und Schiffe sowie strahlungsbeständigen und Hochtemperatur-Stromquellen für die Luft- und Raumfahrt eingesetzt.Im zivilen Bereich werden sie vor allem in Bereichen wie Stromnetz, Stromtraktion, Photovoltaik, Elektrofahrzeuge, Haushaltsgeräte, medizinische Geräte und Unterhaltungselektronik eingesetzt.

Grafik: FLOSFIAs Marktstrategie für Galliumoxid-Leistungsgeräte, Quelle: FLOSFIA

Der Markt für Galliumoxid hat auch im Bereich der neuen Energiefahrzeuge erhebliche Chancen gefunden.Im Inland war der Bereich der Leistungsgeräte für Fahrzeugvorschriften jedoch schwach, da kein SiC-MOS-IDM die Fahrzeugvorschriften erfüllte.Obwohl einige Fabless-Unternehmen in XFab schnell umfassende SBD- und MOS-Spezifikationen für den Markt entwickeln können und reibungslose Fortschritte bei Vertrieb und Finanzierung erzielt haben, erfordert die Zukunft immer noch den Aufbau von FAB für IDM, um Kapazitäten zu beherrschen und proprietäre Prozesse für differenzierte Wettbewerbsvorteile zu entwickeln.

Ladestationen sind sehr kostensensibel und bieten eine Chance für Galliumoxid.Wenn es die Leistungsanforderungen erfüllen oder sogar übertreffen kann und gleichzeitig eine Marktakzeptanz mit Kostenvorteilen erlangt, hat Galliumoxid großes Potenzial für die Anwendung in diesem Bereich.

Auf dem HF-Gerätemarkt kann das Marktpotenzial von Galliumoxid mit dem von Siliziumkarbid-Epitaxie-Galliumnitrid-Geräten verglichen werden.Das Herzstück von New-Energy-Fahrzeugen ist der Wechselrichter, der sehr hohe Anforderungen an die Geräte stellt.Derzeit können Unternehmen wie Infineon, Hitachi, ON Semiconductor und Rohm SiC-MOSFETs in Automobilqualität in Massenproduktion herstellen und liefern.Schätzungen zufolge wird diese Zahl bis 2026 auf 2,22 Milliarden US-Dollar (ca. 15 Milliarden RMB) ansteigen, was darauf hindeutet, dass Galliumoxid breite Anwendungsaussichten und Marktpotenzial auf dem Markt für HF-Geräte hat.

Eine weitere entscheidende Anwendung im Bereich der Leistungselektronik ist die 48-V-Batterie.Durch den weit verbreiteten Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien können Systeme mit höherer Spannung die 12-V-Spannungssysteme von Blei-Säure-Batterien ersetzen und so Effizienz-, Gewichtsreduzierungs- und Energiesparziele erreichen.Diese Lithium-Ionen-Batteriesysteme werden weitgehend eine 48-V-Spannung verwenden, was eine effiziente 48-V-→12-V-/5-V-Umwandlung für elektronische Stromversorgungssysteme erfordert.Am Beispiel des Marktes für zweirädrige Elektrofahrzeuge betrug die Gesamtproduktion elektrischer Zweiräder in China laut Daten aus dem Jahr 2020 48,34 Millionen Einheiten, was einem Wachstum von 27,2 % gegenüber dem Vorjahr entspricht, mit einer Lithium-Ionen-Penetration Steuersatz über 16 %.Angesichts eines solchen Marktes zielen 100-V-Hochstromgeräte wie Galliumoxid, GaN und SG-MOS auf Siliziumbasis auf diese Anwendung ab.

Im Industriesektor bietet Galliumoxid mehrere Chancen und Vorteile, darunter die unipolare Substitution von bipolaren, höhere Energieeffizienz, einfache Produktion in großem Maßstab und die Forderung nach Zuverlässigkeit.Diese Eigenschaften legen nahe, dass Galliumoxid in zukünftigen Energieanwendungen eine wichtige Rolle spielen könnte.Langfristig wird erwartet, dass Galliumoxid-Stromversorgungsgeräte eine Rolle auf dem 650-V-/1200-V-/1700-V-/3300-V-Markt spielen und von 2025 bis 2030 den Automobil- und Elektrogerätesektor vollständig durchdringen werden Die ersten Geräte werden in der Unterhaltungselektronik, in Haushaltsgeräten und in hochzuverlässigen Hochleistungs-Industrienetzteilen zum Einsatz kommen.Seine Eigenschaften können zu einer Konkurrenz zwischen Materialien wie Silizium (Si), Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) führen.

Der Autor geht davon aus, dass der Schwerpunkt des Wettbewerbs um Galliumoxid in den nächsten Jahren auf der 400-V-Plattform liegen wird, insbesondere auf dem konventionellen Einsatz von 650-V-Geräten.Der Wettbewerb in diesem Bereich wird Faktoren wie Schalthäufigkeit, Energieverlust, Chipkosten, Systemkosten und Zuverlässigkeit umfassen.Mit dem technologischen Fortschritt könnte die Plattform jedoch auf 800 V aufgerüstet werden, was den Einsatz von 1200-V- oder 1700-V-Geräten erfordert, was bereits vorteilhafte Bereiche für SiC und Ga2O3 darstellt.In diesem Wettbewerb haben Startups die Möglichkeit, eine solide Grundlage für Wechselrichteranwendungen mit Automobilkunden zu schaffen, indem sie intensiv kommunizieren, das Szenariobewusstsein stärken, Fahrzeugvorschriften einhalten und die Kundenpräferenzen verstehen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Galliumoxid ein erhebliches Potenzial im Bereich der Leistungsgeräte hat und in verschiedenen Bereichen mit Materialien wie SiC und GaN konkurriert, um die Anforderungen von Hocheffizienz-, Niedrigenergieverbrauchs-, Hochfrequenz- und Hochtemperaturanwendungen zu erfüllen.Die Durchdringung neuer Materialien in Anwendungen wie Wechselrichtern und Ladegeräten erfordert jedoch Zeit, eine kontinuierliche Entwicklung von auf spezifische Anwendungen zugeschnittenen Spezifikationen und eine schrittweise Markterweiterung.

Anwendungen von Galliumoxid