Si基GaN功率器件的發(fā)展態(tài)勢分析

　　2013年9月5日，首屆“第三代半導體材料及應用發(fā)展國際研討會(huì )”在深圳成功召開(kāi)，來(lái)自中科院半導體研究所、南京大學(xué)、北京大學(xué)、科銳公司、西安電子科技大學(xué)等研究機構以及企業(yè)的近百名人士參加了此次會(huì )議。

　　蘇州能訊高能半導體有限公司董事長(cháng)張乃千先生在會(huì )上做了以《si基GaN功率器件的發(fā)展態(tài)勢分析》為題的報告，通過(guò)詳細講解氮化鎵(GaN)的優(yōu)勢、硅(si)基氮化鎵的產(chǎn)品優(yōu)勢、氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)電力電子器件的關(guān)系、LED介入氮化鎵功率器件可選的商業(yè)模式和影響等等方面的內容，介紹了發(fā)展硅基氮化鎵的功率器件的原因、硅基氮化鎵半導體的行業(yè)狀況、氮化鎵功率材料與器件的市場(chǎng)前景和硅基氮化鎵功率半導體的技術(shù)發(fā)展方向。

　　他首先簡(jiǎn)單以美國為例介紹了基于半導體技術(shù)應用的節能情景，他表示，半導體技術(shù)應用以后，美國每年的節省的電費達到萬(wàn)億美元，采用新一代功率器件后，電力損耗還能再減少30%。

　　他指出氮化鎵相比較硅的優(yōu)點(diǎn)包括三個(gè)方面，第一點(diǎn)是導通電阻比較低，氮化鎵的導電阻比硅低1000倍左右;第二點(diǎn)是速度很快，氮化鎵的開(kāi)關(guān)速度比硅高100倍左右，功率密度提升;第三點(diǎn)是耐高溫，GaN可以在500 ℃以上的高溫環(huán)境使用。

　　在氮化鎵和碳化硅電子器件之間的關(guān)系方面，張乃千董事長(cháng)表示，氮化鎵比較適合900v以下的器件，它是一個(gè)平面器件;從材料方面它們不是一個(gè)材料，它的優(yōu)勢是氮化鎵的原材料可以依托龐大的照明產(chǎn)業(yè)，成本較低：氮化鎵可以一直生長(cháng)在一個(gè)大的硅片上，既可以降低控制成本，又可以投入大規模生產(chǎn);氮化鎵的規?；呛苤匾?，氮化鎵(GaN)器件制作需要的設備可借助于硅工業(yè)，易于大規模產(chǎn)業(yè)化。

　　張乃千就氮化鎵器件的市場(chǎng)前景對市場(chǎng)空間和市場(chǎng)大小做了簡(jiǎn)單介紹，他說(shuō)，今年所有的半導體器件加一起包括材料，大概有不到200億美元，到2020年可能將達到400億美元，它的發(fā)展相對平穩，不像LED企業(yè)起伏比較大。

　　而在這個(gè)市場(chǎng)中，大概有三分之二的市場(chǎng)屬于工業(yè)電壓比較低的的900v以下，高于900v的占三分之一，氮化鎵比較適合于大概三分之二的市場(chǎng)，這個(gè)市場(chǎng)相當的大。

　　氮化鎵行業(yè)發(fā)展狀況方面，張乃千指出，在行業(yè)發(fā)展中，氮化鎵起步比較早，通過(guò)政府和行業(yè)的的推動(dòng)，氮化鎵行業(yè)1993年出現了UCSB第一個(gè)氮化鎵射頻器件， 1999年出現了第一個(gè)氮化鎵電子電力器件，2007年在 6寸硅襯底上長(cháng)出了氮化鎵，基本從應用的角度開(kāi)始了推進(jìn);而美國歐洲也分別在2002年和2007年啟動(dòng)了推動(dòng)計劃;2013年出現了通過(guò)了JEDEC質(zhì)量標準的硅基氮化鎵功率器件，同時(shí)中國科技部推出了第三代半導體863計劃。

　　張乃千說(shuō)，目前進(jìn)入硅基氮化鎵這個(gè)行業(yè)的大概有五種企業(yè)，分別是硅功率半導體企業(yè)、化合物半導體企業(yè)、硅集成電路企業(yè)、氮化鎵風(fēng)險企業(yè)和LED照明企業(yè)。其中世界排名前20的功率半導體企業(yè)基本上都在做，現在基本找不到不做硅基氮化鎵的功率半導體企業(yè); LED照明的企業(yè)做氮化鎵也是非常合適的，LED照明最主要的是材料，材料引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)，LED的MOCVD產(chǎn)能相當大，不僅能夠滿(mǎn)足LED的發(fā)展,也還能夠滿(mǎn)足電子器件的發(fā)展。LED廠(chǎng)商也可以多樣化經(jīng)營(yíng)，可以把過(guò)剩的產(chǎn)能分配給功率電子，能夠逐漸走進(jìn)硅基氮化鎵這個(gè)行業(yè)。雖然LED轉向氮化鎵有很大的優(yōu)勢，但也并不是想轉就能轉的，從材料來(lái)講需要要達到6寸、8寸的變化，器件的制作和設計與LED有一定差異。因此LED需要將襯底從藍寶石襯底變?yōu)榇蟪叽鏢i襯底,還要學(xué)習和使用功率器件設計和加工技術(shù)。

　　LED介入氮化鎵功率器件的商業(yè)模式有兩種，張乃千指出，第一種是自己做，包括生產(chǎn)氮化鎵外延材料并制造功率器件，第二種是提供氮化鎵功率外延片給器件生產(chǎn)商。

　　張乃千說(shuō)，LED行業(yè)介入氮化鎵功率器件最有誘惑的一點(diǎn)是它的成本可以削減，在LED的發(fā)展過(guò)程中，固定資產(chǎn)的投入折舊占了很大一部分，從這個(gè)角度講，外延的成本能夠削減20%，總體而言成本可以削減10%左右。

　　張乃千提出，在所有工藝半導體成長(cháng)中，隨著(zhù)氮化鎵材料可以在6寸到8寸的晶圓上生長(cháng)之后，制作很快也會(huì )朝著(zhù)6寸到8寸發(fā)展。他說(shuō)，未來(lái)氮化鎵的主要發(fā)展方向是6寸到8寸，并以8寸為主。

　　同時(shí)，他還指出了氮化鎵在發(fā)展之初存在的7個(gè)技術(shù)問(wèn)題：

　　外延技術(shù)：外延技術(shù)具有很大的熱失配和晶格失配難點(diǎn)，特別是熱失配，需要運用應力工程的方法才能把外延上沒(méi)有晶圓的變成有晶圓的，比如說(shuō)2007年IMEC運用應力工程，在4寸和6寸Si襯底上使用AlN成核層和AlGaN中間層制作了功率器件，現在華測、三星等企業(yè)都能生產(chǎn)比較的好的氮化鎵材料。

　　提高擊穿電壓：氮化鎵和碳化硅不一樣，制作結構中對擊穿電壓有很多要求，除了我們常見(jiàn)的長(cháng)板結構是所有的線(xiàn)都要用的，涉及的氮化鎵非常的多，主要有幾個(gè)方面，首先是涉及緩沖層，氮化鎵硅基要在氮化鎵和硅基中間產(chǎn)生一個(gè)不導電的緩沖層;第2種方法是通過(guò)PN加減的方式把壓降反過(guò)來(lái)或壓降到一個(gè)統一的方向，隨著(zhù)電壓減少效果越來(lái)越差，但也能起到一定作用;第3個(gè)方法是把硅去掉，氮化鎵粘到不導電的芯片上面。

　　實(shí)現常關(guān)型器件：氮化鎵剛出現的時(shí)候RS器件是常開(kāi)型的，所以常關(guān)型的器件對電子電源非常重要，也有幾個(gè)方向，首先是凹槽柵方向，通過(guò)干法刻蝕減薄柵極下勢壘層的厚度，減弱或完全消除柵極區域的極化效應，這個(gè)技術(shù)剛開(kāi)始應用的比較多;其次是p-GaN柵技術(shù)， 美國EPC、德國FBH和日本Meijo大學(xué)等使用了該技術(shù)。 后來(lái)香港科技大學(xué)發(fā)展了氟離子注入方式，比較適合平面器件。最后是Cap的方式，這方式適合應用在硅的器件中，硅器件的抗耐熱還有電源上面都會(huì )存在有一定問(wèn)題。

　　抑制電流崩塌效應：開(kāi)關(guān)中開(kāi)和關(guān)需要，我們希望它能把氮化鎵高速的性能發(fā)揚出來(lái)抑制電流崩塌效應。表面鈍化，減少RF信號電流崩塌效應 ;場(chǎng)板方法，現在電廠(chǎng)在做防止電流崩塌;還有生長(cháng)冒層的結構，這幾個(gè)結構跟RS器件的結構比較類(lèi)似，RS器件結構也有電流崩塌效應。

　　硅工藝兼容的制造工藝：大規模的應用硅工藝，我們現階段的LED產(chǎn)業(yè)的重金屬對硅工藝有損害的，同時(shí)它的成本也比較高，硅工藝兼容的制造工藝發(fā)展方向，像士蘭微既做LED也能夠做硅是一個(gè)比較好的結合。

　　可靠性：功率器件的可靠性是非常重要的，特別是電流，它是一個(gè)系統中最核心的一個(gè)部件，電源有七個(gè)角度分析器件失效的方向，器件失效是我們做器件一個(gè)主要的研究方向。例如：電子器件的熱效應比較強，在很高的熱的情況下直流加速下失效，跟氮化鎵中看不見(jiàn)的氮有一定關(guān)系。

　　功率集成技術(shù)：氮化鎵器件的電壓比較小，這跟高電壓器件不太一樣，它的電壓比較小適合，它需要集成電壓，它的控制和速度都容易提高起來(lái)。

　　總的來(lái)說(shuō)氮化鎵電子器件的發(fā)展不是一年兩年的事情，這需要很長(cháng)的時(shí)間，首先前3年要做技術(shù)開(kāi)發(fā)，同時(shí)質(zhì)量認證和產(chǎn)能提高也很重要，因為電子期間的制作過(guò)程遠遠比LED要復雜，這是一個(gè)周期比較長(cháng)的產(chǎn)業(yè)。從今年開(kāi)始，氮化鎵的銷(xiāo)售額在逐年增長(cháng)，到2020年可能會(huì )達到幾億美元或者20億美元的銷(xiāo)售(不含國防應用)，這個(gè)也是可喜的一面，同時(shí)我們切入的電子器件市場(chǎng)到2020年也能達到6%的市場(chǎng)，這是對氮化鎵的相對市場(chǎng)的認識。

　　張乃千最后對硅基氮化鎵的市場(chǎng)認識總結道，GaN功率器件的社會(huì )效益比較高，市場(chǎng)機會(huì )比較大，值得我們進(jìn)入市場(chǎng)。在中國發(fā)展Si基GaN功率半導體有著(zhù)良好的基礎。但是我們要認識到這個(gè)行業(yè)的復雜度比較高，因為材料涉及到微電子制造，存在一定的技術(shù)問(wèn)題，它不等同于微電子技術(shù)，切入有一些難度，所以企業(yè)有必要開(kāi)展廣泛的合作，不僅是我們的產(chǎn)業(yè)，微電子產(chǎn)業(yè)、跨國半導體產(chǎn)業(yè)、LED產(chǎn)業(yè)之間都要加強相互合作，要產(chǎn)學(xué)研用，共享合作。目前我們的產(chǎn)業(yè)剛剛起步，還處于投入期，而不是發(fā)展收獲期，都具有一定的風(fēng)險 ，在這種情況下政府的引導、協(xié)調、幫助都是至關(guān)重要的。