GaN基礎(chǔ)知識(shí)

適用范圍領(lǐng)域

今年4月,，Imec和沉積設(shè)備供應(yīng)商AIXTRON的研究人員宣布,，在200㎜ QST基板上成功演示了符合1200V應(yīng)用要求的GaN緩沖層的外延生長(zhǎng)，其硬擊穿電壓超過(guò)1800V,。符合1200V標(biāo)準(zhǔn)緩沖層的可制造性為基于GaN的最高電壓電源應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén),，例如電動(dòng)車(chē)，以前只有基于SiC的技術(shù)才可行?，F(xiàn)在的問(wèn)題是它們何時(shí)能在價(jià)格上有競(jìng)爭(zhēng)力,。

Liang說(shuō)，目前所有的GaN功率晶體管都是橫向晶體管,?！碧岣邠舸╇妷盒枰幢壤龃舐闫娣e，加上更厚的外延層,。對(duì)于一個(gè)給定的導(dǎo)通電阻,，不僅芯片尺寸增加，而且單位面積的成本也增加,。由于這個(gè)原因,，Infineon認(rèn)為，與SiC相比,，1200V或更高的GaN晶體管將不具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力,。請(qǐng)注意，Imec發(fā)布的消息只是說(shuō)這些電壓水平已經(jīng)在GaN上得到了證明,。這離它是合格的,、可用于生產(chǎn)或具有任何經(jīng)濟(jì)意義還有很大的距離?！?/span>

Yole的技術(shù)和市場(chǎng)分析師Taha Ayari表示,，GaN在不同市場(chǎng)的滲透率將根據(jù)每個(gè)應(yīng)用的要求而有所不同?！翱偟膩?lái)說(shuō),，GaN器件剩下的挑戰(zhàn)是可靠性和性能的接受度、價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力,，以及用于高功率應(yīng)用的高電壓器件的開(kāi)發(fā),。主要障礙之一仍然是在硅襯底上進(jìn)行GaN層的外延，晶格不匹配,，以及兩種材料之間的熱膨脹系數(shù)不匹配,，這在GaN層中產(chǎn)生了致命的缺陷,。所以它需要一個(gè)復(fù)雜的緩沖層和外延層。外延一般與制造商開(kāi)發(fā)的內(nèi)部工藝有關(guān),，使外延標(biāo)準(zhǔn)化變得相當(dāng)棘手,。另外，價(jià)格壓力和更高的產(chǎn)量需求正在推動(dòng)行業(yè)從傳統(tǒng)的6英寸平臺(tái)過(guò)渡到8英寸,，這將需要更多的外延開(kāi)發(fā),，以達(dá)到統(tǒng)一和更高產(chǎn)量的目的。

更大的晶圓仍然是一個(gè)挑戰(zhàn),。Lam Research客戶(hù)支持業(yè)務(wù)部戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)總經(jīng)理David Haynes說(shuō)：“的確,，GaN和硅基器件在功率和射頻應(yīng)用中已經(jīng)很成熟了，但這主要是在6英寸或更小的晶圓上,，而且就許多基于GaN的器件而言,，是在藍(lán)寶石和SiC等基材上?！?/span>

Haynes說(shuō)：“目前，為了提高這些技術(shù)與主流半導(dǎo)體加工的兼容性,，并為更先進(jìn)或更大批量的應(yīng)用提高技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性,，正在向200㎜晶圓加工劇烈地轉(zhuǎn)變。SiC正在向200㎜遷移,，隨著200㎜晶圓成本和可用性的提高,，生產(chǎn)將在未來(lái)2-3年內(nèi)得到提升?！?/span>

Haynes指出,，Lam公司特別關(guān)注200㎜ SiC溝槽MOSFET應(yīng)用?！皩?duì)于GaN來(lái)說(shuō),，正是200㎜硅基GaN技術(shù)性能的提高，以及未來(lái)甚至是300㎜ 硅基GaN技術(shù)的提高,，支撐著該技術(shù)的發(fā)展,。200㎜硅基GaN功率和射頻器件的加工，真正為CMOS集成和與CMOS生產(chǎn)加工兼容提供了可能性,。在Lam,，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一系列與200㎜和300㎜硅基GaN生產(chǎn)兼容的超低損傷蝕刻和沉積工藝，以及先進(jìn)的單晶硅清潔工藝,，以支持CMOS生產(chǎn)的兼容性,。”

Navitas的Oliver指出,，在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域,，SiC解決方案最近取得了比GaN更多的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì),，因?yàn)樗菺aN成熟10年左右，并可提供更好的熱性能,。

Oliver說(shuō)：“SiC適用于高功率,、高電壓。SiC的問(wèn)題是,，它實(shí)際上是一種相當(dāng)緩慢的半導(dǎo)體,。它的傳導(dǎo)性很好，但當(dāng)涉及到開(kāi)關(guān),、轉(zhuǎn)換功率時(shí),，它的損耗要比GaN大得多。一些公司,，如生產(chǎn)太陽(yáng)能微型逆變器的Enphase Energy和瑞士汽車(chē)供應(yīng)商Brusa Electronik,，已經(jīng)開(kāi)始評(píng)估和設(shè)計(jì)Navitas的GaN電源系統(tǒng)。GaN正在變得成熟,，現(xiàn)在我們已經(jīng)有3400萬(wàn)臺(tái)的產(chǎn)量,，生產(chǎn)時(shí)間1200億小時(shí)，而且現(xiàn)場(chǎng)故障報(bào)告為零,?！?/span>

PowerAmerica的Veliadis說(shuō)，GaN的定位很好,，其高頻工作為100V,、200V和650V工作電壓范圍的應(yīng)用帶來(lái)了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)?！瓣P(guān)于電壓范圍,，商用GaN器件是橫向的，因此不能超過(guò)650V（盡管Transphorm確實(shí)提供900V的解決方案）,。因此,，與1200V的商用SiC器件相比，在1200V及以上的范圍內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)需要更高的拓?fù)浼軜?gòu)水平,?！?/span>

EPC的Lidow指出，GaN沒(méi)有物理上的電壓擊穿限制,，但它確實(shí)有實(shí)際限制,。“GaN和SiC具有類(lèi)似的能力,，可以阻擋高電場(chǎng)而不被擊穿,。然而，與硅或SiC相比，GaN具有2DEG（two-dimensional electron gas）的獨(dú)特特征,，使電子在表面移動(dòng)得非?？臁,！?/span>

因此,，當(dāng)有源器件為橫向時(shí)，GaN比這兩種半導(dǎo)體材料中的任何一種都具有明顯的優(yōu)勢(shì),。Lidow說(shuō)：“這意味著接觸端子都在一個(gè)表面上,。在SiC或Si MOSFET中，器件的源極和漏極在器件的一側(cè),，漏極在另一個(gè)表面,。當(dāng)電壓接近1,000V時(shí)，幾乎需要垂直的器件,，因?yàn)槿绻阕鲆粋€(gè)橫向的器件,，端子之間的要求距離會(huì)變得比有源器件大。許多人就會(huì)問(wèn),，為什么不是垂直GaN,？答案是，與垂直SiC相比,，垂直GaN沒(méi)有優(yōu)勢(shì),。由于與SiC相比，GaN的熱阻更高,。此外，也沒(méi)有成本優(yōu)勢(shì),?？紤]到這一切，我預(yù)測(cè)GaN將是650V以下的主導(dǎo)電源技術(shù),，而SiC將是900V以上的主導(dǎo)技術(shù),。在650-900V之間，硅基GaN和SiC將有適合的應(yīng)用,?！?/span>

盡管如此，GaN在其有意義的地方正在穩(wěn)固地扎根,。GaN技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和測(cè)試,。雖然在制造障礙和更高電壓GaN器件的可擴(kuò)展性方面還存在一些問(wèn)題，但這些問(wèn)題應(yīng)該在相對(duì)短期內(nèi)得到解決,。

Lidow補(bǔ)充說(shuō)：“我確實(shí)認(rèn)為我們?cè)谧畲蟮膽?yīng)用中已經(jīng)過(guò)了臨界點(diǎn),。這意味著最大的障礙是各種應(yīng)用的設(shè)計(jì)周期。教育和集成都能縮短學(xué)習(xí)周期?！?/span>

[參考文章]

GaN Application Base Widens, Adoption Grows — Patrick Waurzyniak

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