氮化鎵/碳化硅技術(shù)真的能主導(dǎo)我們的生活方式？

　　全球有40%的能量作為電能被消耗了, 而電能轉(zhuǎn)換最大耗散是半導(dǎo)體功率器件。我國作為世界能源消費(fèi)大國, 如何在功率電子方面減小能源消耗成了一個關(guān)鍵的技術(shù)難題。

　　早在1893年諾貝爾獎獲得者法國化學(xué)家亨利莫桑(Henri Moissan)在非洲發(fā)現(xiàn)了晶瑩剔透的碳化硅(SiC)單晶碎片。由于SiC是硬度僅次于金剛石的超硬材料，SiC單晶和多晶材料作為磨料和刀具材料廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工行業(yè)。作為半導(dǎo)體材料應(yīng)用，相對于Si，SiC具有10倍的電場強(qiáng)度，高3倍的熱導(dǎo)率，寬3倍禁帶寬度，高一倍的飽和遷移速度。

　　簡單來說，SiC半導(dǎo)體材料在三個方面被認(rèn)為具有很大的市場潛力： SiC同質(zhì)外延用于高電壓大功率電力電子器件;高阻SiC基體材料用于生長GaN HEMT射頻器件;在SiC基體材料上生長GaN LED高亮度LED外延。

　　從80年代開始以美國CREE公司為代表的國際企業(yè)就開始專注于半導(dǎo)體應(yīng)用的SiC材料商用化的開發(fā)。2000年起英飛凌首先開發(fā)出600V SiC肖特基二極管(SBD)與其COOLMOS配套使用與通訊電源的PFC應(yīng)用拉開了SiC電力電子器件市場化的幕布。隨后CREE，ST，羅姆等企業(yè)也紛紛推出了SBD的全系列產(chǎn)品。從2014年開始CREE，羅姆，GE開始在市場上推廣MOSFET器件。

　　氮化鎵(GaN)因?yàn)槿狈线m的單晶襯底材料，基本上是在藍(lán)寶石，SiC或者Si的基板材料上采用MOCVD或者M(jìn)BE等外延技術(shù)生長出基本的器件結(jié)構(gòu)，由于是異質(zhì)外延，因此材料缺陷比較多，位錯密度比較大，在上世紀(jì)90年代以前發(fā)展緩慢。進(jìn)入90年代以后，日本在LED應(yīng)用技術(shù)上取得了巨大的進(jìn)展，特別是在中國大陸在過去10多年LED市場的高速發(fā)展，帶動了GaN材料產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

　　由于CREE在電力電子用碳化硅材料和器件的壟斷地位迫使很多功率企業(yè)采取GaN技術(shù)路線作為下一代功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展方向。為了降低成本，基本上采用Si襯底上生長GaN外延并采用成熟的CMOS兼容工藝制備器件。近年來GaN的單晶基體材料也有了突破進(jìn)展，已經(jīng)能夠生長出2英寸外延。美國曾經(jīng)有一家企業(yè)AVOGY曾經(jīng)試圖采用GaN同質(zhì)外延生產(chǎn)PIN功率二極管和其他開關(guān)管，但是由于材料成本昂貴，并不成功。目前GaN單晶材料主要還是用于光電器件，比如激光器和太赫茲等領(lǐng)域。

　　SiC和GaN電力電子器件由于本身的材料特性，各自都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不成熟處，因此在應(yīng)用方面有區(qū)別 。一般的業(yè)界共識是：SiC適合高于1200V的高電壓大功率應(yīng)用;GaN器件更適合于40-1200V的高頻應(yīng)用。在600V和1200V器件應(yīng)用領(lǐng)域，SiC和GaN形成競爭。

　　如果說在電力電子器件方面，SiC和GaN存在著競爭，那么在射頻器件和射頻IC方面，SiC和GaN是完美的一對兒，基本材料結(jié)構(gòu)是在高阻(高純度)的SiC基體上生長GaN外延。圖一這張表比較了SiC, GaN和Si作為半導(dǎo)體材料應(yīng)用的特征參數(shù)。

　　▲圖一、SiC, GaN和Si作為半導(dǎo)體材料應(yīng)用的特征參數(shù)的比較

　　最近接連有消息報道，在美國和歐洲，氮化鎵和碳化硅技術(shù)除了在軍用雷達(dá)領(lǐng)域和航天工程領(lǐng)域得到了應(yīng)用，在電力電子器件市場也有越來越廣泛的滲透。氮化鎵/碳化硅技術(shù)與傳統(tǒng)的硅技術(shù)相比，有哪些獨(dú)特優(yōu)勢?

　　大家最近都在談?wù)撃柖墒裁磿r候終結(jié)?硅作為半導(dǎo)體的主要材料在摩爾定律的規(guī)律下已經(jīng)走過了50多年，尋找新的半導(dǎo)體材料替代硅已經(jīng)成了近些年半導(dǎo)體發(fā)展的方向之一。

　　在整個功率器件的發(fā)展過程中，第一個可控硅在1970年問世。隨著時間和技術(shù)的推移，功率密度要求逐漸提升，后面經(jīng)歷了晶體管向MOSFET的演變，到上世紀(jì)90年代末出現(xiàn)了IGBT。半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，不僅提高了產(chǎn)品性能，同時通過縮小芯片面積降低了成本。然而到2000年的時候業(yè)界就提出硅基產(chǎn)品已經(jīng)快達(dá)到物理極限，進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能，工藝的復(fù)雜性帶來的成本升高不能抵扣芯片面積的縮小，從而芯片成本提高。

　　未來如何突破Si材料的極限?人們把目光瞄向了以氮化鎵和碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，這種新材料可以滿足提高開關(guān)頻率和增加功率密度的要求。

　　下圖比較了SiC，GaN和Si材料FOM的極限。

　　▲圖二、SiC，GaN和Si材料FOM的極限

　　從具體材料來看，SIC器件的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的Si器件結(jié)構(gòu)非常類似?？梢哉fSiC器件就是利用其材料臨界電場高，高載流子遷移率的特點(diǎn)，采用非常薄的外延就可以承受更高耐壓，比如600V器件，可以用9um外延即可，而Si器件需要50um左右外延，這就大大降低了導(dǎo)通壓降或?qū)娮琛?/p>

　　GaN器件有所不同。目前業(yè)界通常是采用MOCVD生長AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)外延，由于材料的壓電和自身極化效應(yīng)，在異質(zhì)結(jié)界面產(chǎn)生高密度二維電子氣，形成開關(guān)管的溝道。因此器件是個平面器件，除了在器件FOM比Si器件更具有優(yōu)勢之外，還很容易與其他器件集成制備IC器件。比如最近Navitas和Dialog都實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動IC和GaN開關(guān)管單芯片集成，大幅降低了用戶使用的技術(shù)門檻。

　　除了軍方市場，我們可能更感興趣氮化鎵/碳化硅技術(shù)能給我們帶來哪些新興市場機(jī)會，比如工業(yè)制造4.0、新能源汽車、智慧家庭、移動通訊以及健康醫(yī)療等，有哪些市場熱點(diǎn)和切入點(diǎn)?

　　從技術(shù)上來看，碳化硅和氮化鎵器件突破了Si基器件的物理極限，為新型的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了更大的拓展空間。但從能量效率的提高上來看，SiC和GaN器件相對于Si器件并不能夠提高更多。但是采用使氮化鎵/碳化硅技術(shù)后，可以把工作頻率從100KHZ提高到兆赫茲，可以大幅縮小電源尺寸，提高功率密度。這符合了電子產(chǎn)品短小輕薄的發(fā)展趨勢。比如，超薄電視，顯示方案完全可以把電視做的更薄，但是受到電源尺寸的限制，如果采用SiC或者GaN器件，就可以大幅減小電源尺寸打破這種制約。

　　另外一個值得關(guān)注的領(lǐng)域是無線充的應(yīng)用。消費(fèi)類電子市場的滲透，可以擴(kuò)大GaN和SiC器件的出貨量，從而進(jìn)一步降低器件的價格，形成了市場和技術(shù)的良性循環(huán)。而且消費(fèi)類電子的可靠性要求相對沒有工業(yè)級和汽車級電子高，器件產(chǎn)品可以更快的進(jìn)入市場，創(chuàng)業(yè)型的設(shè)計公司可以在短時間內(nèi)形成銷售，滿足投資人的期待。所以消費(fèi)類電子的電源方案是SiC和GaN器件的非常合適的切入點(diǎn)。

　　在工業(yè)級電子上，采用第三代半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)電源的高頻應(yīng)用，可以簡化電源方案，提高能量轉(zhuǎn)化效率，值得關(guān)注的應(yīng)用包括通訊電源，光伏逆變器和新能源汽車充電樁和無線充電方案。工業(yè)級器件可靠性評估時間長，更適合一些上市公司和國企作為一個中期的目標(biāo)產(chǎn)品。