المواد الخام الرئيسية لأشباه الموصلات الخاضعة لضوابط التصدير
في 1 أغسطس 2023 ، نفذت وزارة التجارة والإدارة العامة للجمارك الصينية رسميًا ضوابط التصدير على المواد الخام شبه الموصلة مثل الغاليوم والجرمانيوم.هناك آراء مختلفة في الصناعة فيما يتعلق بهذه الخطوة ، ويعتقد الكثير من الناس أنها استجابة لتحكم ASML الهولندي المحدث على تصدير آلات الطباعة الحجرية.لكن في أغسطس 2022. أدرجت الولايات المتحدة أكسيد الغاليوم مادة أشباه الموصلات عالية النقاء في قائمة ضوابط التصدير المحظورة إلى الصين.أعلن مكتب الصناعة والأمن (BIS) التابع لوزارة التجارة الأمريكية أيضًا عن تضمين مواد الجيل الرابع من أشباه الموصلات مثل أكسيد الغاليوم والماس ، والتي يمكنها تحمل درجات الحرارة والجهد العالي ، بالإضافة إلى برنامج ECAD المصمم خصيصًا للرقائق في 3nm وما دون ، في ضوابط التصدير الجديدة.
في ذلك الوقت ، لم يكن هناك الكثير من الناس يهتمون برقابة الصادرات هذه ، ولم تُدرج الصين الغاليوم في قائمة مراقبة الصادرات إلا بعد مرور عام حتى بدأت الصناعة في الاهتمام بالمواد المهمة لأشباه الموصلات من الجيل الرابع - الغاليوم. أكسيد.يعتبر الغاليوم والجرمانيوم من المواد الخام الأساسية في صناعة أشباه الموصلات ، وتغطي تطبيقاتهما تصنيع أشباه الموصلات من الجيل الأول إلى الرابع.اليوم ، مع قانون مور الذي يواجه عنق الزجاجة ، فإن مواد أشباه الموصلات ذات فجوات العرض الأكبر ، مثل الماس وأكسيد الغاليوم و AlN و BN ، لديها القدرة على أن تصبح القوة الدافعة للجيل القادم من تكنولوجيا المعلومات بسبب خصائصها الفيزيائية الممتازة.
بالنسبة للصين ، إنها فترة حرجة لتطوير أشباه الموصلات ، وقد جعلت العقوبات المختلفة من الولايات المتحدة من البحث عن المواد الثورية الرئيسية مثل أكسيد الغاليوم قيدًا رئيسيًا للاختراق.على الرغم من التحديات العديدة ، إذا تمكنا من النجاح في ثورة تكنولوجيا أشباه الموصلات هذه ، فستكون للصين القدرة على القفز من قوة تصنيعية إلى قوة تصنيعية ، وتحقيق تحول غير مسبوق حقًا في قرن.هذا ليس فقط اختبارًا رئيسيًا للقوة التكنولوجية للصين ، ولكنه أيضًا فرصة مهمة لإظهار قدرة الصين على مواجهة التحديات التكنولوجية العالمية.
مزايا تتجاوز كربيد السيليكون وأكسيد الغاليوم
أكسيد الغاليوم ، مادة من الجيل الرابع من أشباه الموصلات ، لها مزايا مثل عرض فجوة الحزمة الكبيرة (4.8 فولت) ، وقوة مجال الانهيار الحرج العالية (8 ميجا فولت / سم) ، وخصائص التوصيل الجيدة.يحتوي أكسيد الغاليوم على خمسة أشكال بلورية مؤكدة ، من بينها أكثرها استقرارًا β- Ga2O3.يبلغ عرض فجوة الحزمة 4.8-4.9 فولت ، وشدة مجال الانهيار تصل إلى 8 ميجا فولت / سم.مقاومة التوصيل الخاصة به أقل بكثير من مقاومة SiC و GaN ، مما يقلل بشكل كبير من فقد التوصيل للجهاز.المعلمة المميزة لها ، Baliga Premium (BFOM) ، تصل إلى 3400 ، تقريبًا 10 مرات من SiC و 4 مرات من GaN.
بالمقارنة مع كربيد السيليكون ونتريد الغاليوم ، يمكن تحقيق عملية نمو أكسيد الغاليوم باستخدام طريقة ذوبان السائل تحت الضغط الجوي ، مما ينتج عنه جودة عالية وعائد مرتفع وتكلفة منخفضة.نظرًا لخصائصها الخاصة ، لا يمكن إنتاج كربيد السيليكون ونتريد الغاليوم إلا بطريقة الطور الغازي ، الأمر الذي يتطلب الحفاظ على بيئة إنتاج عالية الحرارة واستهلاك كمية كبيرة من الطاقة.هذا يعني أن أكسيد الغاليوم سيكون له ميزة التكلفة في الإنتاج والتصنيع ، وهو مناسب للمصنعين المحليين لزيادة الطاقة الإنتاجية بسرعة.
بالمقارنة مع كربيد السيليكون ، يتجاوز أكسيد الغاليوم كربيد السيليكون في جميع معايير الأداء تقريبًا.لا سيما مع عرض فجوة النطاق الكبير وقوة مجال الانهيار العالية ، فهي تتمتع بمزايا كبيرة في التطبيقات عالية الطاقة وعالية التردد
تطبيقات محددة وإمكانيات السوق لأكسيد الغاليوم
آفاق تطوير أكسيد الغاليوم بارزة بشكل متزايد ، ويحتكر السوق حاليًا بشكل رئيسي من قبل اثنين من العمالقة في اليابان ، Novell Crystal Technology (NCT) و Flosfia.تستثمر NCT في البحث والتطوير لأكسيد الغاليوم منذ عام 2012 ، ونجحت في اختراق العديد من التقنيات الرئيسية ، بما في ذلك 2 بوصة من بلورات أكسيد الغاليوم وتكنولوجيا فوق المحور ، بالإضافة إلى الإنتاج الضخم لمواد أكسيد الغاليوم.لقد تم التعرف على كفاءتها وأدائها العالي على نطاق واسع في الصناعة.لقد نجحت في إنتاج رقائق 4 بوصات من أكسيد الغاليوم بكميات كبيرة في عام 2021 وبدأت في توفير رقائق العملاء ، مرة أخرى ، مما جعل اليابان تتقدم في منافسة الجيل الثالث من أشباه الموصلات المركبة.
وفقًا لتوقعات NCT ، سينمو سوق رقائق أكسيد الغاليوم بسرعة في العقد القادم وسيتوسع إلى ما يقرب من 3.02 مليار يوان بحلول عام 2030. وتتوقع FLOSFIA أنه بحلول عام 2025 ، سيبدأ حجم السوق لأجهزة طاقة أكسيد الغاليوم في تجاوز حجم نيتريد الغاليوم ، لتصل إلى 1.542 مليار دولار أمريكي (حوالي 10 مليار يوان صيني) بحلول عام 2030 ، وهو ما يمثل 40 ٪ من كربيد السيليكون و 1.56 مرة من نيتريد الغاليوم.وفقًا لتوقعات اقتصاد فوجي ، سيصل حجم السوق لمكونات طاقة أكسيد الغاليوم إلى 154.2 مليار ين (حوالي 9.276 مليار يوان) بحلول عام 2030 ، متجاوزًا حجم السوق لمكونات طاقة نيتريد الغاليوم.يعكس هذا الاتجاه الأهمية والإمكانات المستقبلية لأكسيد الغاليوم في الأجهزة الإلكترونية للطاقة.
لأكسيد الغاليوم مزايا كبيرة في بعض مجالات التطبيق المحددة.في مجال إلكترونيات الطاقة ، تتداخل أجهزة طاقة أكسيد الغاليوم جزئيًا مع نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون.في المجال العسكري ، يتم استخدامها بشكل أساسي في أنظمة التحكم في الطاقة مثل المدافع الكهرومغناطيسية عالية الطاقة والدبابات والطائرات المقاتلة والسفن ، فضلاً عن إمدادات الطاقة الفضائية المقاومة للإشعاع ودرجات الحرارة العالية.يتم تطبيق القطاع المدني بشكل أساسي في مجالات مثل شبكات الطاقة ، والجر الكهربائي ، والخلايا الكهروضوئية ، والمركبات الكهربائية ، والأجهزة المنزلية ، والمعدات الطبية ، والإلكترونيات الاستهلاكية.
يوفر سوق مركبات الطاقة الجديدة أيضًا سيناريو تطبيقًا ضخمًا لأكسيد الغاليوم.ومع ذلك ، في الصين ، كانت أجهزة الطاقة على مستوى السيارة ضعيفة دائمًا ، ولا يوجد حاليًا SiC MOS IDM على مستوى السيارة.على الرغم من أن العديد من شركات Fabless التي تتعاقد مع XFab يمكنها بسرعة الحصول على مواصفات SBD و MOS شاملة للسوق ، كما أن تقدم المبيعات والتمويل يكون سلسًا نسبيًا ، في المستقبل ، لا يزالون بحاجة إلى بناء FAB الخاص بهم لإتقان القدرة الإنتاجية وتطوير عمليات فريدة ، في من أجل توليد مزايا تنافسية متباينة.
تعتبر محطات الشحن حساسة للغاية من حيث التكلفة ، مما يوفر فرصة لأكسيد الغاليوم.لو
إذا كان أكسيد الغاليوم يمكن أن يلبي أو حتى يتجاوز متطلبات الأداء مع اكتساب اعتراف السوق بمزايا التكلفة ، فهناك احتمال كبير لتطبيقه في هذا المجال.
في سوق أجهزة الترددات اللاسلكية ، يمكن أن تشير السعة السوقية لأكسيد الغاليوم إلى سوق أجهزة نيتريد الغاليوم الفوقي بكربيد السيليكون.جوهر مركبات الطاقة الجديدة هو العاكس ، الذي يتطلب متطلبات عالية جدًا لمواصفات الجهاز.حاليًا ، يمكن لشركات مثل Italy Semiconductor و Hitachi و Ansemy و Rohm إنتاج وتوريد وحدات MOSFET من SiC من فئة السيارات بكميات كبيرة.من المتوقع أنه بحلول عام 2026 ، سيرتفع هذا الرقم إلى 2.222 مليار دولار (حوالي 15 مليار يوان صيني) ، مما يشير إلى أن أكسيد الغاليوم له آفاق تطبيق واسعة وإمكانات سوقية في سوق أجهزة الترددات اللاسلكية.
تطبيق مهم آخر في مجال إلكترونيات الطاقة هو بطاريات 48V.مع الاستخدام الواسع لبطاريات الليثيوم ، يمكن استخدام نظام الجهد العالي لاستبدال نظام الجهد 12 فولت لبطاريات الرصاص ، وتحقيق أهداف الكفاءة العالية ، وتقليل الوزن ، والحفاظ على الطاقة.ستستخدم أنظمة بطاريات الليثيوم هذه جهد 48 فولت على نطاق واسع ، ولأنظمة الطاقة الإلكترونية ، يلزم تحويل 48 فولت ← 12 فولت / 5 فولت عالي الكفاءة.بأخذ سوق السيارات الكهربائية ذات العجلتين كمثال ، وفقًا لبيانات من عام 2020 ، بلغ الإنتاج الإجمالي للمركبات الكهربائية ذات العجلتين في الصين 48.34 مليون وحدة ، بزيادة سنوية قدرها 27.2٪ ، ومعدل اختراق بطاريات الليثيوم تجاوزت 16٪.في مواجهة مثل هذا السوق ، تستهدف أجهزة التيار العالي 100 فولت عالية الجهد مثل أكسيد الغاليوم ، و GaN ، وأجهزة SG-MOS القائمة على السيليكون هذا التطبيق وتبذل جهودًا.
في المجال الصناعي ، لديها العديد من الفرص والمزايا الرئيسية ، بما في ذلك الاستبدال أحادي القطب للقطبين ، وزيادة كفاءة الطاقة ، وسهولة الإنتاج الضخم ، ومتطلبات الموثوقية.هذه الخصائص تجعل من المحتمل أن يلعب أكسيد الغاليوم دورًا مهمًا في تطبيقات الطاقة المستقبلية.على المدى الطويل ، من المتوقع أن تلعب أجهزة طاقة أكسيد الغاليوم دورًا في سوق 650V / 1200V / 1700V / 3300V ، ومن المتوقع أن تخترق بالكامل مجالات السيارات والمعدات الكهربائية من عام 2025 إلى عام 2030. على المدى القصير ، أكسيد الغاليوم ستظهر أجهزة الطاقة أولاً في مجالات مثل الإلكترونيات الاستهلاكية ، والأجهزة المنزلية ، ومصادر طاقة صناعية عالية الأداء وموثوق بها.قد تؤدي هذه الخصائص إلى التنافس بين مواد مثل السيليكون (Si) وكربيد السيليكون (SiC) ونتريد الغاليوم (GaN).
يعتقد المؤلف أن تركيز المنافسة على أكسيد الغاليوم في السنوات القليلة المقبلة سيكون على الاستخدام التقليدي لأجهزة 650 فولت على منصة 400 فولت.ستشمل المنافسة في هذا المجال عدة عوامل مثل تبديل التردد وفقدان الطاقة وتكلفة الرقاقة وتكلفة النظام والموثوقية.ومع ذلك ، مع تقدم التكنولوجيا ، يمكن ترقية النظام الأساسي إلى 800 فولت ، الأمر الذي سيتطلب استخدام أجهزة 1200 فولت أو 1700 فولت ، والتي تعد بالفعل منطقة ميزة لـ SiC و Ga2O3.في هذه المسابقة ، تتاح للشركات الناشئة الفرصة لإنشاء وعي بالسيناريو ونظام تنظيم المركبات وعقلية العميل من خلال التواصل المتعمق مع العملاء ، مما يضع أساسًا متينًا لتطبيق العاكسات لعملاء شركات السيارات.
بشكل عام ، يتمتع أكسيد الغاليوم بإمكانيات كبيرة في مجال أجهزة الطاقة ويمكنه التنافس مع مواد مثل SiC و GaN في مجالات متعددة لتلبية احتياجات التطبيقات عالية الأداء مثل الكفاءة العالية واستهلاك الطاقة المنخفض والتردد العالي ودرجة الحرارة العالية .ومع ذلك ، فإن تغلغل المواد الجديدة في تطبيقات مثل المحولات وأجهزة الشحن يستغرق وقتًا ويتطلب تطويرًا مستمرًا لمواصفات مناسبة لتطبيقات محددة ، والترويج لها تدريجياً في السوق.
