汽車功率元器件市場前景廣闊

　　雖然智能手機的出貨量遠(yuǎn)高于汽車(2015年為14億部[1]，汽車銷量為8,800萬輛[2])，但汽車的半導(dǎo)體零件含量卻高得多。汽車功率IC穩(wěn)健增長，2015 - 2020年該行業(yè)的年復(fù)合增長率預(yù)計將達(dá)8%[3]。尤其是電池驅(qū)動的電動汽車在該行業(yè)成為強勁增長推動力，2015年5月Teardown.com針對寶馬i3電動車的報告顯示，該車型物料清單中包含100多個電源相關(guān)芯片。

　　與遵循摩爾定律不斷縮小尺寸的先進(jìn)邏輯晶體管不同，功率元器件FET通常運用更老的技術(shù)節(jié)點，使用200毫米(和更小的)硅片。然而，功率元器件在過去的幾十年中不斷發(fā)展和升級。例如，較厚的PVD鋁鍍層(3-10微米)必須沉積在功率元器件的正面，以實現(xiàn)散熱并提高電學(xué)性能。如果沒有正確沉積，厚鋁層容易出現(xiàn)晶須和錯位，導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。應(yīng)用材料公司的Endura PVD HDR高速沉積鋁反應(yīng)腔器可確保盡可能減少此類缺陷，并使沉積速率較其他與之競爭的技術(shù)高50%以上。

　　此外，5微米至150微米以上的厚外延硅片，進(jìn)行復(fù)雜的摻雜以后，能夠?qū)崿F(xiàn)低電阻(Rds)、較高的關(guān)斷電阻(Roff)和更快的開關(guān)速度。

　　與傳統(tǒng)外延反應(yīng)腔相比，應(yīng)用材料公司新推出的Centura Pronto? ATM epi外延反應(yīng)腔可提高生長速度30%以上，化學(xué)品消耗量減少25%，縮短了清潔時間，降低了設(shè)備的擁有成本。該系統(tǒng)表現(xiàn)出卓越的晶片內(nèi)均勻性和電阻率，可滿足先進(jìn)功率元器件需求。

　　半導(dǎo)體薄膜堆層的結(jié)構(gòu)變化，例如將柵極結(jié)構(gòu)從平面(橫向器件)轉(zhuǎn)換成溝道結(jié)構(gòu)(垂直器件)，使得絕緣柵雙極晶體管(IGBT)能夠以更低的損耗率實現(xiàn)更快的開關(guān)速度。類似地，從多層外延技術(shù)轉(zhuǎn)向深溝槽填充工藝亦能大幅提升超結(jié)MOSFET(SJM)的性能。

　　蝕刻工藝需要一些改進(jìn)和調(diào)整，以適應(yīng)這些方案，其中包括更高的深寬比結(jié)構(gòu)。經(jīng)改進(jìn)后的外延硅膜和注入摻雜分布也能增強產(chǎn)品性能。

　　功率元器件制造商不斷精益求精。公開資料顯示日立的高導(dǎo)電性IGBT采用單獨的浮動P層，以提高柵極可控性和接通電壓。ABB半導(dǎo)體在溝槽柵下構(gòu)建P型柱狀注入，以產(chǎn)生超結(jié)效應(yīng)，從而達(dá)到更快的開關(guān)速度。

　　通過減薄晶片厚度，可有效減少高速開關(guān)的存儲電荷。富士電機最近研發(fā)出漂移層更薄、溝槽間距更小、電場終止層更強的第七代IGBT。

　　然而，專家們紛紛意識到，硅基器件的各項性能已接近極限。功率元器件由于受到硅材料本身的限制，每一次性能的提升僅能帶來些許改進(jìn)。

　　寬禁帶功率元器件

　　功率IC產(chǎn)業(yè)在尋找新的寬禁帶(WBG)材料，使半導(dǎo)體性能提升到全新的水平。碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)是當(dāng)前的首選材料，兩者均有一定的優(yōu)勢及劣勢。作為半導(dǎo)體復(fù)合材料，他們具有更大的禁帶寬度和擊穿場強，制成的功率元器件具有硅材料無法匹敵的性能。他們被廣泛認(rèn)為將引領(lǐng)下一代功率元器件，開啟半導(dǎo)體時代大變革。圖1顯示了SiC和GaN在終端市場應(yīng)用的一般電壓范圍。

　　圖1：寬禁帶功率元器件能增強電動車及其他系統(tǒng)的性能，但材料成本是一大挑戰(zhàn)

　　(資料來源：YoleDéveloppement和應(yīng)用材料公司)

　　變革伴隨著新的挑戰(zhàn)，寬禁帶功率IC產(chǎn)業(yè)也不例外。成本是目前最大的阻礙，包括晶片翹曲導(dǎo)致的生產(chǎn)困難以及與襯底和外延處理相關(guān)的高缺陷率。根據(jù)市場研究公司YoleDéveloppement(法國里昂)的數(shù)據(jù)，目前6英寸SiC襯底加上外延晶片的成本到達(dá)千美元級別，而且隨著對器件缺陷的控制日益嚴(yán)格，該成本可能迅速攀升。

　　之后的加工流程也面臨重重挑戰(zhàn)。例如，需要在接近2000°C的高溫下進(jìn)行退火，而硅材料常用的退火反應(yīng)器與這一溫度相去甚遠(yuǎn)。另外，SiC的注入工藝也相當(dāng)復(fù)雜。

　　鑒于寬禁帶功率元器件應(yīng)用前景廣闊，多家公司、集團和大學(xué)研究中心都致力于解決種種阻礙。事實上，目前SiC和GaN產(chǎn)品均已投入使用，盡管數(shù)量有限。然而，在成本未顯著降低前，寬禁帶產(chǎn)品的優(yōu)勢 —— 包括節(jié)省功率、簡化電路以及減小模塊尺寸 —— 與硅襯底相比難以轉(zhuǎn)化為豐厚的投資回報。

　　舉例而言，常用的汽車逆變器箱可能含有40多個功率晶體管和二極管。若采用SiC可簡化電路、減少零件并使模組尺寸最多縮小80%。半導(dǎo)體新材料需在器件尺寸、材料成本和能量節(jié)省方面均取得突破才能較硅功率元器件產(chǎn)生明顯增值(見表1)。

　　*對應(yīng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的值

　　表1: GaN及SiC與當(dāng)前硅功率元器件相比都展現(xiàn)出優(yōu)異的禁帶寬度和擊穿場強

　　(資料來源：F. Iacopi等2015年5月發(fā)表于MRS Bulletin;斯坦福大學(xué)Jim Plummer博士)

　　幸好半導(dǎo)體工藝流程中的其他步驟，例如CVD、PVD、etch和CMP，對于寬禁帶功率元器件來說相對容易，因為一般加工工藝與硅材料非常相似。雖然加工工藝及硬件都需小幅調(diào)整，但現(xiàn)有技術(shù)可適用于寬禁帶產(chǎn)品的生產(chǎn)。

　　以GaN為材料的功率元器件在消費，通信和汽車應(yīng)用中潛力巨大，但GaN也有缺點，包括晶片成本和工藝整合。受到GaN生產(chǎn)的尺寸限制，目前市場上只有生產(chǎn)2英寸的GaN晶圓，以GaN為材料的器件主流是以Si為基礎(chǔ)。 然而GaN和Si之間的晶格不匹配，需要有緩沖層, 例如AIN/AIGaN，受當(dāng)前的架構(gòu)限制，GaN設(shè)備為常開型，這會產(chǎn)生可靠性問題并影響市場接受度。GaN器件需要進(jìn)行改進(jìn)來克服這個缺點。因此，雖然寬禁帶器件的性能優(yōu)勢毋庸置疑，但該器件是否能解決成本問題，實現(xiàn)量產(chǎn)仍是一個問號。

　　在應(yīng)用材料公司近期舉辦的功率元器件研討會上，斯坦福大學(xué)教授Jim Plummer建議，若要使這些新產(chǎn)品在市場上取得成功，是值得去尋找一個硅材料無法競爭的新領(lǐng)域。Plummer認(rèn)為此舉能夠增加產(chǎn)量，從而有助于降低晶片成本。