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來(lái)源：內(nèi)容由半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID:icbank）編譯自「semiengineering」,，謝謝,。 經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)，幾家供應(yīng)商正在接近出貨基于下一代寬帶隙技術(shù)的功率半導(dǎo)體和其他產(chǎn)品,。這些器件利用了新材料的特性,，例如氮化鋁、金剛石和氧化鎵,，它們還用于不同的結(jié)構(gòu),，例如垂直氮化鎵功率器件。但是，盡管其中許多技術(shù)擁有超過(guò)當(dāng)今功率半導(dǎo)體器件的特性,，但它們?cè)趶膶?shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到晶圓廠的過(guò)程中也將面臨挑戰(zhàn),。功率半導(dǎo)體通常是專用晶體管，在汽車(chē),、電源,、太陽(yáng)能和火車(chē)等高壓應(yīng)用中用作開(kāi)關(guān)。這些設(shè)備允許電流在“開(kāi)”狀態(tài)下流動(dòng),，并在“關(guān)”狀態(tài)下停止,。它們提高了效率并最大限度地減少了系統(tǒng)中的能量損失。多年來(lái),，功率半導(dǎo)體市場(chǎng)一直由使用傳統(tǒng)硅材料的器件主導(dǎo),。硅基功率器件成熟且價(jià)格低廉，但它們也達(dá)到了理論極限,。這就是為什么人們對(duì)使用寬帶隙材料的設(shè)備產(chǎn)生濃厚興趣的原因,，這種材料可以超越當(dāng)今硅基設(shè)備的性能。多年來(lái),，供應(yīng)商一直在出貨基于兩種寬帶隙技術(shù)——氮化鎵 (GaN) 和碳化硅(SiC) 的功率半導(dǎo)體器件,。使用 GaN 和 SiC 材料的功率器件比硅基器件更快、更高效,。幾家供應(yīng)商一直在使用下一代寬帶隙技術(shù)開(kāi)發(fā)設(shè)備,。這些材料，例如氮化鋁,、金剛石和氧化鎵,，都具有比 GaN 和 SiC 更大的帶隙能量，這意味著它們可以在系統(tǒng)中承受更高的電壓,。今天,，一些供應(yīng)商正在運(yùn)送使用氮化鋁的專用 LED。其他人計(jì)劃在 2022 年推出第一波圍繞新材料制造的功率器件,，但也存在一些挑戰(zhàn),。所有這些技術(shù)都有各種缺點(diǎn)和制造問(wèn)題。即使它們投入生產(chǎn),，這些設(shè)備也不會(huì)取代今天的功率半導(dǎo)體,，無(wú)論是硅、GaN 還是 SiC,。“它們提供了令人難以置信的高性能,，但在晶圓尺寸方面非常有限，” Lam Research戰(zhàn)略營(yíng)銷董事總經(jīng)理 David Haynes 說(shuō),?！八鼈?cè)诤艽蟪潭壬细邔W(xué)術(shù)性而不是商業(yè)利益,，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，這種情況正在發(fā)生變化,。但基板尺寸小且與主流半導(dǎo)體制造技術(shù)缺乏兼容性意味著它們可能只會(huì)用于極高性能設(shè)備的小批量生產(chǎn),，尤其是智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、可再生能源和鐵路等要求嚴(yán)苛的應(yīng)用,?！?/section>盡管如此，這里還是有一波活動(dòng),，包括：NexGen,、Odyssey Semiconductor 和其他公司正在準(zhǔn)備第一個(gè)垂直 GaN 器件。Novel Crystal Technology (NCT) 將推出使用氧化鎵的功率器件,。Kyma 和 NCT 正在這里開(kāi)發(fā)子狀態(tài)。基于金剛石和氮化鋁的產(chǎn)品正在發(fā)貨,。功率半導(dǎo)體在電力電子設(shè)備中用于控制和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的電力。它們幾乎可以在每個(gè)系統(tǒng)中找到,，例如汽車(chē),、手機(jī)、電源,、太陽(yáng)能逆變器,、火車(chē)、風(fēng)力渦輪機(jī)等,。功率半導(dǎo)體有多種類型,，每一種都用帶有“V”或電壓的數(shù)字表示?！癡”是器件中允許的最大工作電壓,。當(dāng)今的功率半導(dǎo)體市場(chǎng)由基于硅的器件主導(dǎo)，其中包括功率 MOSFET,、超結(jié)功率 MOSFET 和絕緣柵雙極晶體管(IGBT),。功率 MOSFET 用于低壓、10 至 500 伏的應(yīng)用,，例如適配器和電源,。超結(jié)功率 MOSFET 用于 500 至 900 伏應(yīng)用。同時(shí),，領(lǐng)先的中端功率半導(dǎo)體器件 IGBT 用于 1.2 千伏至 6.6 千伏應(yīng)用,，尤其是汽車(chē)應(yīng)用。英飛凌銷售,、營(yíng)銷和分銷高級(jí)副總裁 Shawn Slusser 表示：“IGBT 功率模型基本上正在取代汽車(chē)中的燃油噴射器,?！八鼈儚碾姵叵螂姍C(jī)供電?！?/section>IGBT 和 MOSFET 被廣泛使用,，但它們也達(dá)到了極限。這就是寬帶隙技術(shù)的用武之地,?！皫妒侵赴雽?dǎo)體中價(jià)帶頂部和導(dǎo)帶底部之間的能量差異，”英飛凌表示,?！案蟮木嚯x允許寬帶隙半導(dǎo)體功率器件在更高的電壓、溫度和頻率下運(yùn)行,?！?/section>硅基器件的帶隙為 1.1 eV。相比之下,，SiC 的帶隙為 3.2 eV,，而 GaN 的帶隙為 3.4 eV。與硅相比,，這兩種材料使設(shè)備具有更高的效率和更小的外形尺寸,，但它們也更昂貴。每種設(shè)備類型都不同,。例如,，有兩種 SiC 器件類型——SiC MOSFET 和二極管。SiC MOSFET 是功率開(kāi)關(guān)晶體管,。碳化硅二極管在一個(gè)方向傳遞電流并在相反方向阻止電流,。針對(duì) 600 伏至 10 千伏應(yīng)用，碳化硅功率器件采用垂直結(jié)構(gòu),。源極和柵極在器件的頂部,，而漏極在底部。當(dāng)施加正柵極電壓時(shí),，電流在源極和漏極之間流動(dòng),。碳化硅在 150 毫米晶圓廠制造。過(guò)去幾年,，碳化硅功率半導(dǎo)體已投入批量生產(chǎn),。Onto Innovation營(yíng)銷總監(jiān) Paul Knutrud 表示：“碳化硅具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、熱導(dǎo)率和效率,，是電動(dòng)汽車(chē)功率轉(zhuǎn)換芯片的理想選擇,。幾家供應(yīng)商一直在開(kāi)發(fā)基于下一代材料和結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，例如氮化鋁,、金剛石,、氧化鎵和垂直 GaN,。在多年的研發(fā)中，垂直 GaN 器件大有可為,。GaN 是一種二元 III-V 族材料,，用于生產(chǎn) LED、功率開(kāi)關(guān)晶體管和射頻器件,。GaN 的擊穿場(chǎng)是硅的 10 倍,。“高功率和高開(kāi)關(guān)速度是 GaN 的主要優(yōu)勢(shì),，”O(jiān)nto 的 Knutrud 說(shuō),。今天的 GaN 功率開(kāi)關(guān)器件在 150 毫米晶圓廠制造，基于高電子遷移率晶體管 (HEMT),。GaN 器件是橫向結(jié)構(gòu),。源極、柵極和漏極位于結(jié)構(gòu)的頂部,。橫向 GaN 器件已投入量產(chǎn),。一些公司正在將 GaN 器件在 200 毫米晶圓廠投入生產(chǎn)?！皩?duì)于 GaN，它是 GaN-on-silicon 技術(shù)在 200mm 和未來(lái)甚至 300mm 上改進(jìn)的性能,，這是技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),，”Lam 的 Haynes 說(shuō)。今天的 GaN 器件使用硅或 SiC 襯底,。襯底頂部是一層薄薄的氮化鋁 (AlN),，然后是 AIGaN 緩沖層，然后是 GaN 層,。然后,，在 GaN 頂部沉積薄的 AlGaN 勢(shì)壘層，形成應(yīng)變層,。如今,，有幾家公司參與了 GaN 功率半導(dǎo)體市場(chǎng)。今天的橫向 GaN 功率半導(dǎo)體器件在 15 到 900 伏的電壓范圍內(nèi)運(yùn)行,，但在這些電壓之外運(yùn)行這些器件存在若干技術(shù)挑戰(zhàn),。一方面，不同層之間存在不匹配,?！斑@真的只是因?yàn)楫?dāng)你在不同的襯底上生長(zhǎng) GaN 時(shí)，你最終會(huì)因兩種晶格之間的不匹配而產(chǎn)生大量缺陷,。每平方厘米的許多缺陷會(huì)導(dǎo)致過(guò)早擊穿和可靠性問(wèn)題,，”O(jiān)dyssey Semiconductor 的 CTO Rick Brown 說(shuō),。解決這些問(wèn)題的工作正在進(jìn)行中，但橫向 GaN 目前停留在 1,000 伏以下,。這就是垂直 GaN 適合的地方,。它承諾在 1,200 伏及以上電壓下運(yùn)行。與其他功率半導(dǎo)體器件一樣,，垂直 GaN 器件在器件頂部有一個(gè)源極和柵極,，底部有一個(gè)漏極。此外,，垂直 GaN 器件使用塊狀 GaN 襯底或 GaN-on-GaN,。據(jù) Odyssey 稱，GaN 襯底允許垂直傳導(dǎo)的 GaN 晶體管具有更少的缺陷,。“如果你看硅基高壓器件和碳化硅高壓器件,，它們都是垂直拓?fù)洹３鲇诙喾N原因,，它是高壓設(shè)備的首選拓?fù)?。它占用的面積更小，從而降低了電容,，并且將高壓端子置于晶圓的另一側(cè)而不是柵極端子具有固有的安全因素,，”Brown說(shuō)。目前,，Kyma,、NexGen、Odyssey,、Sandia 和其他公司正在研究垂直 GaN 器件,。Kyma 和 Odyssey 正在增加 100 毫米（4 英寸）體 GaN 襯底。“垂直 GaN 正在出現(xiàn),，我們正在向研究人員和實(shí)驗(yàn)室出售產(chǎn)品,，”Kyma 的首席技術(shù)官 Jacob Leach 說(shuō)?！霸撔袠I(yè)在制作外延片方面遇到了一些挑戰(zhàn),。我們有不同的技術(shù)。我們能夠以低廉的成本制造垂直 GaN 所需的薄膜,?！?/section>GaN襯底已準(zhǔn)備就緒，但垂直GaN器件本身很難開(kāi)發(fā),。例如,，制造這些器件需要一個(gè)離子注入步驟，在器件中注入摻雜劑,?！叭藗儧](méi)有對(duì) GaN 使用垂直導(dǎo)電拓?fù)涞奈ㄒ辉蚴菦](méi)有一種很好的方法來(lái)進(jìn)行雜質(zhì)摻雜,。Odyssey已經(jīng)找到了解決辦法，”該公司的Brown說(shuō),。Odyssey 正在其自己的 4 英寸晶圓廠中開(kāi)發(fā)垂直 GaN 功率開(kāi)關(guān)器件,。計(jì)劃是在 2022 年初發(fā)貨。其他人的目標(biāo)是在同一時(shí)期,。“我們有垂直導(dǎo)電的 GaN 器件,。我們已經(jīng)證明了 pn 結(jié)，”O(jiān)dyssey 首席執(zhí)行官 Alex Behfar 說(shuō),?！拔覀兊牡谝粋€(gè)產(chǎn)品是 1,200 伏，可能是 1,200 到 1,500 伏,。但是我們的路線圖將我們一直帶到 10,000 伏,。由于電容和其他一些問(wèn)題，我們希望在碳化硅無(wú)法訪問(wèn)的頻率和電壓范圍內(nèi)做出貢獻(xiàn),。近期,，我們希望能夠?yàn)楣I(yè)電機(jī)和太陽(yáng)能提供設(shè)備。我們希望給電動(dòng)汽車(chē)制造商機(jī)會(huì),，進(jìn)一步提高車(chē)輛的續(xù)航里程,。那是通過(guò)減輕系統(tǒng)的重量并擁有性能更好的設(shè)備。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,，我們希望實(shí)現(xiàn)移動(dòng)充電等功能,。”如果或當(dāng)垂直 GaN 器件興起時(shí),，這些產(chǎn)品不會(huì)取代今天的橫向 GaN 或 SiC 功率半導(dǎo)體，也不會(huì)取代硅基功率器件,。但如果該技術(shù)能夠克服一些挑戰(zhàn),，垂直 GaN 器件將占有一席之地。聯(lián)電技術(shù)開(kāi)發(fā)高級(jí)總監(jiān) Seanchy Chiu 表示：“Bulk GaN 襯底上的 GaN 垂直器件為可能的下一代電力電子設(shè)備帶來(lái)了一些興奮,，但還有一些關(guān)鍵問(wèn)題需要解決,。” “基于物理學(xué),，垂直功率器件總能比橫向器件驅(qū)動(dòng)更高的功率輸出,。但是 GaN 體襯底仍然很昂貴，而且晶圓尺寸僅限于 4 英寸,。純代工廠正在使用 6 英寸和 8 英寸工藝制造具有競(jìng)爭(zhēng)力的功率器件,。由于其垂直載流子傳輸，需要控制襯底晶體的質(zhì)量并盡量減少缺陷,?！?/section>還有其他問(wèn)題,。“GaN襯底比SiC襯底更昂貴,，GaN中垂直方向的電子傳導(dǎo)僅與SiC大致相同,，”橫向GaN功率半導(dǎo)體供應(yīng)商EPC的首席執(zhí)行官Alex Lidow說(shuō)?！芭c SiC 相比,，GaN 中的電子橫向遷移率高 3 倍，但垂直方向的遷移率相同,。此外,，碳化硅的熱傳導(dǎo)效率高出三倍。這對(duì)垂直 GaN 器件幾乎沒(méi)有動(dòng)力,?！?/section>同時(shí)，幾家公司,、政府機(jī)構(gòu),、研發(fā)組織和大學(xué)正在研究β-氧化鎵 (β-Ga2O3)，這是一種有前途的超寬帶隙技術(shù),，已經(jīng)研發(fā)了好幾年,。Kyma 表示，氧化鎵是一種無(wú)機(jī)化合物,，帶隙為 4.8 至 4.9 eV,，比硅大 3,000 倍，比碳化硅大 8 倍,，比氮化鎵大 4 倍,。Kyma 表示，氧化鎵還具有 8MV/cm 的高擊穿場(chǎng)和良好的電子遷移率,。氧化鎵也有一些缺點(diǎn),。這就是為什么基于氧化鎵的設(shè)備仍處于研發(fā)階段且尚未商業(yè)化的原因。盡管如此,，一段時(shí)間以來(lái),，一些供應(yīng)商一直在銷售基于該技術(shù)的晶圓用于研發(fā)目的。此外,，業(yè)界正在研究基于氧化鎵的半導(dǎo)體功率器件,，例如肖特基勢(shì)壘二極管和晶體管。其他應(yīng)用包括深紫外光電探測(cè)器,。Flosfia,、Kyma、Northrop Grumman Synoptics、NCT 和其他公司正在研究氧化鎵,。美國(guó)空軍和能源部以及幾所大學(xué)都在追求它,。Kyma 已開(kāi)發(fā)出直徑為 1 英寸的氧化鎵硅片，而 NCT 則在運(yùn)送 2 英寸硅片,。NCT 最近開(kāi)發(fā)了使用熔體生長(zhǎng)方法的 4 英寸氧化鎵外延硅片,。“氧化鎵在過(guò)去幾年取得了進(jìn)展，這主要是因?yàn)槟梢陨筛哔|(zhì)量的基板,。因此,，您可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的直拉法或其他類型的液相生長(zhǎng)法來(lái)生長(zhǎng)氧化鎵晶錠，”Kyma 的 Leach 說(shuō),。這是半導(dǎo)體工業(yè)中廣泛使用的晶體生長(zhǎng)方法,。最大的挑戰(zhàn)是制造基于該技術(shù)的功率器件。“氧化鎵的挑戰(zhàn)是雙重的,。首先,，我沒(méi)有看到真正的 p 型摻雜的方法。您可能能夠制作 p 型薄膜,，但您不會(huì)獲得任何空穴導(dǎo)電性,。因此，制造雙極器件是不可能的,。您仍然可以制造單極器件,。人們正在研究二極管以及氧化鎵中的 HEMT 型結(jié)構(gòu)。有反對(duì)者說(shuō),，'如果你沒(méi)有 p 型,，那就忘記它。這只是意味著它在該領(lǐng)域沒(méi)有那么多應(yīng)用,，”Leach 說(shuō),。“第二大是導(dǎo)熱性,。氧化鎵相當(dāng)?shù)?。?duì)于高功率類型的應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，這可能是一個(gè)問(wèn)題,。在轉(zhuǎn)換中，我不知道這是否會(huì)成為殺手,。人們正在做工程工作,，將氧化鎵與碳化硅或金剛石結(jié)合，以提高熱性能,?！?/section>盡管如此，該行業(yè)仍在研究設(shè)備?！暗谝粋€(gè)采用氧化鎵的功率器件將是肖特基勢(shì)壘二極管 (SBD),。我們正在開(kāi)發(fā) SBD，目標(biāo)是在 2022 年開(kāi)始銷售,，”NCT 公司官員兼銷售高級(jí)經(jīng)理 Takekazu Masui 說(shuō),。NCT 還在開(kāi)發(fā)基于該技術(shù)的高壓垂直晶體管。在 NCT 的工藝中,，該公司開(kāi)發(fā)了氧化鎵襯底,。然后，它在硅片上形成薄外延層,。該層的厚度范圍可以從 5μm 到 10μm,。通過(guò)采用低施主濃度和40μm厚膜的外延層作為漂移層，NCT實(shí)現(xiàn)了4.2 kV的擊穿電壓,。該公司計(jì)劃到 2025 年生產(chǎn) 600 至 1,200 伏的氧化鎵晶體管,。NCT 已經(jīng)克服了氧化鎵的一些挑戰(zhàn)?！瓣P(guān)于導(dǎo)熱性,，我們已經(jīng)確認(rèn)可以通過(guò)使元件像其他半導(dǎo)體一樣更薄來(lái)獲得可以投入實(shí)際使用的熱阻。所以我們認(rèn)為這不會(huì)是一個(gè)主要問(wèn)題,，”增井說(shuō),。“NCT 正在開(kāi)發(fā)兩種 p 型方法,。一種是制作氧化鎵p型,，另一種是使用氧化鎳和氧化銅等其他氧化物半導(dǎo)體作為p型材料?！?/section>展望未來(lái),，該公司希望開(kāi)發(fā)使用更大基板的設(shè)備以降低成本。減少缺陷是另一個(gè)目標(biāo),。多年來(lái)，業(yè)界一直在尋找可能是終極功率器件 — 金剛石,。金剛石具有寬帶隙 (5.5 eV),、高擊穿場(chǎng) (20MV/cm) 和高熱導(dǎo)率 (24W/cm.K)。金剛石是碳的亞穩(wěn)態(tài)同素異形體,。對(duì)于電子應(yīng)用,，該行業(yè)使用通過(guò)沉積工藝生長(zhǎng)的合成鉆石。金剛石用于工業(yè)應(yīng)用,。在研發(fā)領(lǐng)域,，公司和大學(xué)多年來(lái)一直致力于研究金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管,，但目前尚不清楚它們是否會(huì)搬出實(shí)驗(yàn)室。AKHAN Semiconductor 已開(kāi)發(fā)出金剛石基板和鍍膜玻璃,。設(shè)備級(jí)開(kāi)發(fā)處于研發(fā)階段,。“AKHAN 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 300 毫米金剛石晶圓,，以支持更先進(jìn)的芯片需求,，”AKHAN 半導(dǎo)體創(chuàng)始人 Adam Khan 說(shuō)?！霸诟吖β蕬?yīng)用中,，金剛石 FET 的性能優(yōu)于其他寬帶隙材料。雖然 AKHAN 的興奮劑成就是巨大的,，但圍繞客戶期望制造設(shè)備需要大量的研發(fā),、技術(shù)技能和時(shí)間?！?/section>該技術(shù)有多種變化,。例如，大阪市立大學(xué)已經(jīng)展示了在金剛石襯底上結(jié)合 GaN 的能力,，創(chuàng)造了金剛石上的 GaN 半導(dǎo)體技術(shù),。氮化鋁 (AlN) 也是令人感興趣的。AlN 是一種化合物半導(dǎo)體,，帶隙為 6.1 eV,。據(jù) AlN 襯底供應(yīng)商 HexaTech 稱，AlN 的場(chǎng)強(qiáng)接近 15MV/cm,，是任何已知半導(dǎo)體材料中最高的,。Stanley Electric 子公司 HexaTech 業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Gregory Mills 表示：“AlN 適用于波段邊緣低至約 205nm 的極短波長(zhǎng)、深紫外光電子設(shè)備,?！俺私饎偸猓珹lN 具有這些材料中最高的熱導(dǎo)率,，可實(shí)現(xiàn)卓越的高功率和高頻設(shè)備性能,。AlN 還具有獨(dú)特的壓電能力，可用于許多傳感器和射頻應(yīng)用,?！?/section>幾家供應(yīng)商可提供直徑為 1 英寸和 2 英寸的 AlN 晶片。AlN 已經(jīng)開(kāi)始受到關(guān)注,。Stanley Electric 和其他公司正在使用 AlN 晶片生產(chǎn)紫外線 LED (UV LED),。這些專用 LED 用于消毒和凈化應(yīng)用。據(jù) HexaTech 稱,，當(dāng)微生物暴露在 200 納米到 280 納米之間的波長(zhǎng)下時(shí),，UV-C 能量會(huì)破壞病原體。“正如我們所說(shuō),，基于單晶 AlN 襯底的設(shè)備正在從研發(fā)過(guò)渡到商業(yè)產(chǎn)品,，這取決于應(yīng)用領(lǐng)域，”米爾斯說(shuō),?！捌渲械谝粋€(gè)是深紫外光電子學(xué)，特別是 UV-C LED,，由于它們具有殺菌和滅活病原體（包括 SARS-CoV-2 病毒）的能力,，因此需求激增?！?/section>多年前,，HexaTech 因開(kāi)發(fā)氮化鋁功率半導(dǎo)體而獲得美國(guó)能源部頒發(fā)的獎(jiǎng)項(xiàng)。這里有幾個(gè)挑戰(zhàn),。首先,，基板昂貴?！拔也恢赖X在這里有多大意義,，因?yàn)樗?n 型和 p 型摻雜方面都有問(wèn)題，”Kyma 的 Leach 說(shuō),。盡管如此,，基于各種下一代材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)備正在取得進(jìn)展。他們有一些令人印象深刻的屬性,。但他們必須克服許多問(wèn)題,。EPC 的 Lidow 說(shuō)：“這意味著將需要大量資本投資才能將它們投入批量生產(chǎn)?！?“額外的好處和可用市場(chǎng)的規(guī)模需要證明大量資本投資的合理性,。”
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