氮化鎵/碳化硅技術(shù)真的能主導我們的生活方式？

　　全球有40%的能量作為電能被消耗了, 而電能轉換最大耗散是半導體功率器件。我國作為世界能源消費大國, 如何在功率電子方面減小能源消耗成了一個(gè)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用于機械加工行業(yè)。作為半導體材料應用，相對于Si，SiC具有10倍的電場(chǎng)強度，高3倍的熱導率，寬3倍禁帶寬度，高一倍的飽和遷移速度。

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，SiC半導體材料在三個(gè)方面被認為具有很大的市場(chǎng)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(cháng)GaN HEMT射頻器件;在SiC基體材料上生長(cháng)GaN LED高亮度LED外延。

　　從80年代開(kāi)始以美國CREE公司為代表的國際企業(yè)就開(kāi)始專(zhuān)注于半導體應用的SiC材料商用化的開(kāi)發(fā)。2000年起英飛凌首先開(kāi)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應用拉開(kāi)了SiC電力電子器件市場(chǎng)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(kāi)始CREE，羅姆，GE開(kāi)始在市場(chǎng)上推廣MOSFET器件。

　　氮化鎵(GaN)因為缺乏合適的單晶襯底材料，基本上是在藍寶石，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(cháng)出基本的器件結構，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90年代以前發(fā)展緩慢。進(jìn)入90年代以后，日本在LED應用技術(shù)上取得了巨大的進(jìn)展，特別是在中國大陸在過(guò)去10多年LED市場(chǎng)的高速發(fā)展，帶動(dòng)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(xiàn)作為下一代功率半導體器件的發(fā)展方向。為了降低成本，基本上采用Si襯底上生長(cháng)GaN外延并采用成熟的CMOS兼容工藝制備器件。近年來(lái)GaN的單晶基體材料也有了突破進(jìn)展，已經(jīng)能夠生長(cháng)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(kāi)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，因此在應用方面有區別 。一般的業(yè)界共識是：SiC適合高于1200V的高電壓大功率應用;GaN器件更適合于40-1200V的高頻應用。在600V和1200V器件應用領(lǐng)域，SiC和GaN形成競爭。

　　如果說(shuō)在電力電子器件方面，SiC和GaN存在著(zhù)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，基本材料結構是在高阻(高純度)的SiC基體上生長(cháng)GaN外延。圖一這張表比較了SiC, GaN和Si作為半導體材料應用的特征參數。

　　▲圖一、SiC, GaN和Si作為半導體材料應用的特征參數的比較

　　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)除了在軍用雷達領(lǐng)域和航天工程領(lǐng)域得到了應用，在電力電子器件市場(chǎng)也有越來(lái)越廣泛的滲透。氮化鎵/碳化硅技術(shù)與傳統的硅技術(shù)相比，有哪些獨特優(yōu)勢?

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

　　在整個(gè)功率器件的發(fā)展過(guò)程中，第一個(gè)可控硅在1970年問(wèn)世。隨著(zhù)時(shí)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90年代末出現了IGBT。半導體技術(shù)的不斷進(jìn)步，不僅提高了產(chǎn)品性能，同時(shí)通過(guò)縮小芯片面積降低了成本。然而到2000年的時(shí)候業(yè)界就提出硅基產(chǎn)品已經(jīng)快達到物理極限，進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能，工藝的復雜性帶來(lái)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(lái)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體材料，這種新材料可以滿(mǎn)足提高開(kāi)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(lái)看，SIC器件的結構與傳統的Si器件結構非常類(lèi)似?？梢哉f(shuō)SiC器件就是利用其材料臨界電場(chǎng)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，這就大大降低了導通壓降或導通電阻。

　　GaN器件有所不同。目前業(yè)界通常是采用MOCVD生長(cháng)AlGaN/GaN異質(zhì)結外延，由于材料的壓電和自身極化效應，在異質(zhì)結界面產(chǎn)生高密度二維電子氣，形成開(kāi)關(guān)管的溝道。因此器件是個(gè)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)現了驅動(dòng)IC和GaN開(kāi)關(guān)管單芯片集成，大幅降低了用戶(hù)使用的技術(shù)門(mén)檻。

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

　　從技術(shù)上來(lái)看，碳化硅和氮化鎵器件突破了Si基器件的物理極限，為新型的電源拓撲結構提供了更大的拓展空間。但從能量效率的提高上來(lái)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(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域是無(wú)線(xiàn)充的應用。消費類(lèi)電子市場(chǎng)的滲透，可以擴大GaN和SiC器件的出貨量，從而進(jìn)一步降低器件的價(jià)格，形成了市場(chǎng)和技術(shù)的良性循環(huán)。而且消費類(lèi)電子的可靠性要求相對沒(méi)有工業(yè)級和汽車(chē)級電子高，器件產(chǎn)品可以更快的進(jìn)入市場(chǎng)，創(chuàng )業(yè)型的設計公司可以在短時(shí)間內形成銷(xiāo)售，滿(mǎn)足投資人的期待。所以消費類(lèi)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，采用第三代半導體器件實(shí)現電源的高頻應用，可以簡(jiǎn)化電源方案，提高能量轉化效率，值得關(guān)注的應用包括通訊電源，光伏逆變器和新能源汽車(chē)充電樁和無(wú)線(xiàn)充電方案。工業(yè)級器件可靠性評估時(shí)間長(cháng)，更適合一些上市公司和國企作為一個(gè)中期的目標產(chǎn)品。