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第3代半导体材料企业发展状况初探

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刘义鹤 江 洪

中国科学院武汉文献情报中心

第3代半导体材料是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)金刚石为代表的宽禁带半导体材料。相比第1、2代半导体,第3代半导体材料禁带宽度较宽(禁带宽度>2.2e V),导热率更高、击穿电场更高、抗辐射能力更强、电子饱和速率更大,基于它们制作的电子器件适合应用于高温、高频、抗辐射及大功率场合。

目前S i C和G a N材料的生长与应用技术已经比较成熟,A l N和金刚石材料的研究还处于刚起步的阶段。

一、SiC 半导体材料企业概况

全球S iC半导体材料的生产商主要分布在美国、欧洲和中国。主要包括美国的科锐(Cr e e)公司、道康宁(DowCorning)公司和II-VI Incorporated,德国SiCrystal公司,以及我国的北京天科合达蓝光半导体有限公司(以下简称“北京天科合达”)、天岳晶体材料有限公司(以下简称“天岳晶体”)、东莞市天域半导体科技有限公司(以下简称“天域半导体”)、瀚天泰成电子科技(厦门)有限公司(以下简称“厦门瀚天泰成”)。其中,C r e e公司是全球最大的SiC衬底供应商,占全球SiC衬底的85%以上,SiCrystal公司则是欧洲地区的主要供应商。

1.Cree 公司

C r e e公司是全球领先的照明革新者与半导体制造商。C r e e的优势来源于其S i C和G a N独一无二的材料和先进技术。C r e e公司一直引领着全球L ED照明革命。C r ee公司在技术和市场上几乎垄断了全球L E D的S i C优质衬底供应,其S i C衬底的供应占全球市场85%以上。C r e e的L E D产品现主要应用在手电筒、射灯、筒灯、球泡灯、灯管、台灯、路灯、天景灯、蜡烛灯、工矿灯、舞台照明、珠宝灯等各种照明领域。2016年7月,C r e e公司旗下的子公司Wo l f s p e e d被德国I n f i n e o n收购,其中包括相关的功率和射频功率器件碳化硅晶圆衬底业务。10月,C r e e在美国中北部威斯康辛州拉辛市的L E D工厂进行小幅度裁员,C r e e的L E D照明业务进入关键一年。根据C r e e近期财报表现,C r e e第2季度营收提高2%,达到3.88亿美元,比底1季度的衰退10%要好。Cr e e针对该公司2017会计年度第1季度的财测,营收落在3.56亿~3.78亿美元之间,比上一个会计年度同期的4.255亿美元要少很多。面对产业的变局,C r e e已经在2015年有减产的动作,2016年C r e e公司提升了营销地位,目前已经收到亚洲公司的竞争。2013-2016财年(到每年6月)Cree公司的经营状况如图1所示。

产品方面,2016年10月6日,Cree公司推出全球首个1 000V SiC金属-半导体-氧化物场效应管(M O S F E T)。该产品主要用于快速充电和工业电源领域,能让系统减少30%元器件数量,充电速度提升3倍,输出功率提高33%。

2.Dow Corning 公司

Dow Corning成立于1943年,公司总部位于美国密歇根州米德兰德市,长期致力于开发有机硅的各种潜能,是康宁玻璃公司(现康宁公司)和陶氏化学公司合资而成。道康宁2015年销售额56.5亿美元,相比2014年下降了9%。2015年净利润达到5.63亿美元,较2014年上升了10%。2014、2015年公司销售情况如表1所示。公司产品主要包括D owCorning?和XIAMETER?品牌。公司提供150mm,4°斜角的SiC衬底材料以及用于半导体器件制作的4H n型SiC晶圆。

3.II-VI Incorporated

I I - V I公司是全球领先的工程材料与光电器件企业,能为工业、光通信、军事、生命科学、半导体仪器创新型产品,具备从设计,到生产、销售的垂直能力。公司总部位于P e n n s y l v a n i a的S a x o n b u r g,在世界范围内广泛拥有加工工厂。公司2016财年(至2016年6月30日)的净销售额为8.27亿美元,相比2014年实现12.5%的增长(见图2)。净利润6 550万美元,与2014年持平,略微下降。S i C产品方面,公司已经能提供成熟8英寸SiC晶圆产品。

4.SiCrystal

德国S i C r y s t a l公司是为全球范围内专业生产和销售高质量单晶4H - S i C晶圆的厂家。公司在S i C的数学模拟、晶体生长、切片、表征与质量控制方面都达到世界领先水平。目前已经成为欧洲SiC衬底的主要提供商。公司已于2016年8月开始出货直径3英寸的碳化硅晶圆,这些晶圆将用于生产功率器件,射频以及光电子器件等。公司目前已经开发出6英寸4H-SiC晶圆,即将量产。

5. 国内SiC 材料与器件公司

国内S i C半导体材料的主要公司包括北京天科合达、天岳晶体、天域半导体以及厦门瀚天泰成等企业,均将S iC晶圆供应作为主要销售业务,S iC半导体国内市场份额领先。这几家公司的概况如表2所示。

二、GaN 半导体材料与器件企业概况

L E D产业的快速扩张使得G a N材料也获得了迅猛发展。自20世纪90年代以来,G a N材料市场规模增长率超过30%。G a N材料的生产与器件厂商主要分布于美国、欧洲和日本,包括美国的RF Micro Device公司、Freescale semiconductor公司,德国Infineon公司、Azzurro公司,英国的Plessey Semiconductors公司,日本的富士通公司和松下公司,加拿大的GaN Systems公司等。目前我国GaN衬底材料处于4英寸的研发阶段,尚未形成产业化。

1.RF Micro Device

RF Micro Devices公司是全球领先的高性能射频元件和化合物半导体技术的设计者和制造商。R F M D是一家基于设计、开发及生产射频集成电路元件的美国公司。这些产品用于无线通讯的射频集成电路放大装置(R F I C s)和信号处理传输设备。2015年6月,RF Micro Devices公司与TriQuint公司合并组成Qorvo公司。Q o r v o公司2016年第2季度财报显示,公司实现营收7.08亿美元,相比第1季度增长了5.2%。净利润440万美元。公司最新推出了650V G a NSSFET 功率开关等产品。

2.Freescale semiconductor

飞思卡尔半导体(F r e e s c a l eS e m i c o n d u c t o r)是全球领先的半导体公司,全球总部位于美国德州的奥斯汀市。专注于嵌入式处理解决方案。飞思卡尔面向汽车、网络、工业和消费电子市场,提供的技术包括微处理器、微控制器、传感器、模拟集成电路和连接。G aN材料射频通信器件与系统是飞思卡尔半导体的一个主要发展方向。

2015年2月,飞思卡尔与NX P达成合并协议,合并后整体市值400亿美元。并购将在2015年下半年彻底完成。交易完成后,飞思卡尔股东将获得6.25美元+0.3521N X P股份/每股的回报,占合并后公司32%股权。同时,飞思卡尔市值将达到118亿美金,合并后实体整体市值达到含债167亿美金。

2015年飞思卡尔半导体实现营收61.01亿美元,相比2014年增长了8.0%。2015年净利润15.26亿美元,较2014年上升183.1%。2012-2015年飞思卡尔半导体销售情况如图3所示。

飞思卡尔半导体的G aN最新产品包括:3.4G~3.6G H z手机基站器件A2G35S200-01S;125WC W ,1 M ~ 2 . 7 G H z ,5 0 V S i C上G a N晶体管M M R F5015N ;2.7G~3.5G H z,60W,50V宽带射频GaN晶体管MMRF5300N等。

3. 英飞凌(Infineon)科技公司

英飞凌科技公司于1999年4月1日在德国慕尼黑正式成立,是全球领先的半导体公司之一。其前身是西门子集团的半导体部门。I n f i n e o n于2014年收购美国前国际整流器公司。主要分为汽车电子、工业功率控制、电源管理与多元化市场、智能卡与安全4个部门。其功率半导体产品在全球占据18.6%份额居世界首位。

2015年I n f i n e o n公司销售额57.95亿欧元,相比2014年提高15.5%。2012-2015年英飞凌公司销售额及增长率情况如图4所示。

4.Plessey Semiconductors

P l e s s e y半导体公司是照明、传感器、测量、控制领域全球领先的半导体制造企业。公司拥有独一无二的MaGICTM(硅上GaN I/C)LED技术,当前正引领着固态照明领域的技术革命。普莱思的产品广泛应用包括通信,制造,医疗,国防,航空航天和汽车等市场领域。是欧洲半导体产品的主要提供商。Plessey公司的技术主要依托Swi n d on大学和剑桥大学,在普利茅斯拥有一座世界最先进的GaNLED工厂。

5.GaN 系统公司(GaN Systems)

G a N S y s t e m s是为个人消费者、企业、工业,太阳能/风能/智能电网、能源转换等领域提供各种参数的G a N高功率晶体管的专业公司,技术达到全球领先。其G a N晶体管具有极低的电容和开态电阻。这些器件相比普通的硅基器件能提供更高的开关效率,被广泛应用于电源开关系统、转换器、电动汽车、电池管理以及电源适配系统中。这些器件都是在硅上G a N(GaN on Silicon)衬底上制备,其成本与硅基器件相当,但性能上却更加优越。G a N系统公司核心技术包括:Island Technology,一种独创的岛状结构,能减小GaN器件尺寸与成本,并且能实现电流在片上金属和其他载体间的传输;GaNPX pachaging技术,该封装技术使G a N器件获得高电流密度、优秀的散热、极低的电感,并且该封装技术不需要进行引线键合。G a N S y s t e m s拥有业界最广泛且最全面的G a N功率晶体管产品组合,并且100V和650V G a N F ET都在批量出货。

6. 三重富士通半导体股份有限公司

三重富士通半导体股份有限公司是日本一家为数不多的300m m晶圆专业代工公司。公司未来发展方向在于汽车半导体以及物联网设备领域。公司致力于依靠深耗尽沟道(d e e p l y d e p l e t e dc h a n n e l,D D C)晶体管实现最高级“超低功耗制程”以及“嵌入式系统”平台的构建,并不断推进R F及毫米波技术的研发,以满足物联网市场的需求。公司最新G a N产品包括D i s c r e t e s 600V系列和650V系列的GaN晶体管。

富士通公司拥有D D C、插入式闪存和射频3大核心技术,如表3所示。

2015年富士通公司实现营收4.74万亿日元,与2014年基本持平。日本地区网络设备与个人电脑业务衰退,但系统集成服务有所增加。国际贸易方面,公司受惠于货币汇率的变动。2015年公司净利润1 200亿日元,相比2014年下降了32%,主要由于商业模型的转移成本增加,以及网络设备的升级(见图5)。

7. 松下电器半导体有限公司

松下半导体是全球首屈一指的半导体供应商,也是日本G a N器件的主要提供厂商。松下半导体的技术研发主要围绕消费电子、智能家居、智能汽车、以及商家对商家的(businessto business,B2B)电子商务解决方案与器件供应展开。松下半导体的G a N晶体管产品基于其X - G a N TM技术。2016年将量产用于电源和马达控制的GaN半导体产品。

2015年松下半导体实现营收7.7万亿日元,较2014年持平。其中日本国内营收3.6万亿日元,国际营收4万亿日元。2015年净利润4 157亿日元,较2014年增加了5.5%。2011-2015年松下半导体的经营情况如图6所示。

8. 国内GaN 材料与器件公司

国内G a N衬底及器件厂商主要有东莞市中镓半导体科技有限公司(简称“中镓半导体”)、苏州晶湛半导体有限公司(简称“苏州晶湛”)、晶能光电有限公司(简称“晶能光电”)等,其概况与主要G a N产品情况如表4所示。

三、结语

总之,目前是第3代半导体材料进入规模化应用和生产关键时期,通过对第3代半导体材料生产商分析可以发现,在S i C半导体材料方面,美国、欧洲和中国的公司占有较为主要的市场份额,中国的生产企业在技术研发与市场占有等领域处于与世界先进国家并行的地位,但主要是以国内市场为主。而我国的G a N衬底材料处于4英寸的研发阶段,尚未形成产业化,需要在技术研发和产业化方面做更大的努力。

而对于器件制造厂商而言,根据市场应用需求及技术发展状态,需要进一步适应目前第3代半导体材料的多种技术共同发展的状况,加快对新材料的应用与市场开发,从而进一步推动第3代半导体材料的应用发展。

10.3969/j.issn.1008-892X.2016.11.005

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