經過多年的研發，幾家供應商正在接近出貨基于下一代寬帶隙技術的功率半導體和其他產品。
這些器件利用了新材料的特性，例如氮化鋁、金剛石和氧化鎵，它們還用于不同的結構，例如垂直氮化鎵功率器件。但是，盡管其中許多技術擁有超過當今功率半導體器件的特性，但它們在從實驗室轉移到晶圓廠的過程中也將面臨挑戰。
功率半導體通常是專用晶體管，在汽車、電源、太陽能和火車等高壓應用中用作開關。這些設備允許電流在“開”狀態下流動，并在“關”狀態下停止。它們提高了效率并最大限度地減少了系統中的能量損失。
多年來，功率半導體市場一直由使用傳統硅材料的器件主導。硅基功率器件成熟且價格低廉，但它們也達到了理論極限。
這就是為什么人們對使用寬帶隙材料的設備產生濃厚興趣的原因，這種材料可以超越當今硅基設備的性能。多年來，供應商一直在出貨基于兩種寬帶隙技術——氮化鎵 (GaN) 和碳化硅(SiC) 的功率半導體器件。使用 GaN 和 SiC 材料的功率器件比硅基器件更快、更高效。
幾家供應商一直在使用下一代寬帶隙技術開發設備。這些材料，例如氮化鋁、金剛石和氧化鎵，都具有比 GaN 和 SiC 更大的帶隙能量，這意味著它們可以在系統中承受更高的電壓。
今天，一些供應商正在運送使用氮化鋁的專用 LED。其他人計劃在 2022 年推出第一波圍繞新材料制造的功率器件，但也存在一些挑戰。所有這些技術都有各種缺點和制造問題。即使它們投入生產，這些設備也不會取代今天的功率半導體，無論是硅、GaN 還是 SiC。
“它們提供了令人難以置信的高性能，但在晶圓尺寸方面非常有限，” Lam Research戰略營銷董事總經理 David Haynes 說。“它們在很大程度上更具學術性而不是商業利益，但隨著技術的進步，這種情況正在發生變化。但基板尺寸小且與主流半導體制造技術缺乏兼容性意味著它們可能只會用于極高性能設備的小批量生產，尤其是智能電網基礎設施、可再生能源和鐵路等要求嚴苛的應用。”
盡管如此，這里還是有一波活動，包括：
NexGen、Odyssey Semiconductor 和其他公司正在準備第一個垂直 GaN 器件。
Novel Crystal Technology (NCT) 將推出使用氧化鎵的功率器件。Kyma 和 NCT 正在這里開發子狀態。
基于金剛石和氮化鋁的產品正在發貨。
什么是功率半導體？
功率半導體在電力電子設備中用于控制和轉換系統中的電力。它們幾乎可以在每個系統中找到，例如汽車、手機、電源、太陽能逆變器、火車、風力渦輪機等。
功率半導體有多種類型，每一種都用帶有“V”或電壓的數字表示。“V”是器件中允許的最大工作電壓。
當今的功率半導體市場由基于硅的器件主導，其中包括功率 MOSFET、超結功率 MOSFET 和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。
功率 MOSFET 用于低壓、10 至 500 伏的應用，例如適配器和電源。超結功率 MOSFET 用于 500 至 900 伏應用。同時，領先的中端功率半導體器件 IGBT 用于 1.2 千伏至 6.6 千伏應用，尤其是汽車應用。英飛凌銷售、營銷和分銷高級副總裁 Shawn Slusser 表示：“IGBT 功率模型基本上正在取代汽車中的燃油噴射器。“它們從電池向電機供電。”
IGBT 和 MOSFET 被廣泛使用，但它們也達到了極限。這就是寬帶隙技術的用武之地。“帶隙是指半導體中價帶頂部和導帶底部之間的能量差異，”英飛凌表示。“更大的距離允許寬帶隙半導體功率器件在更高的電壓、溫度和頻率下運行。”
硅基器件的帶隙為 1.1 eV。相比之下，SiC 的帶隙為 3.2 eV，而 GaN 的帶隙為 3.4 eV。與硅相比，這兩種材料使設備具有更高的效率和更小的外形尺寸，但它們也更昂貴。
每種設備類型都不同。例如，有兩種 SiC 器件類型——SiC MOSFET 和二極管。SiC MOSFET 是功率開關晶體管。碳化硅二極管在一個方向傳遞電流并在相反方向阻止電流。
針對 600 伏至 10 千伏應用，碳化硅功率器件采用垂直結構。源極和柵極在器件的頂部，而漏極在底部。當施加正柵極電壓時，電流在源極和漏極之間流動。
碳化硅在 150 毫米晶圓廠制造。過去幾年，碳化硅功率半導體已投入批量生產。Onto Innovation營銷總監 Paul Knutrud 表示：“碳化硅具有高擊穿場強、熱導率和效率，是電動汽車功率轉換芯片的理想選擇。
開發垂直 GaN
幾家供應商一直在開發基于下一代材料和結構的產品，例如氮化鋁、金剛石、氧化鎵和垂直 GaN。
在多年的研發中，垂直 GaN 器件大有可為。GaN 是一種二元 III-V 族材料，用于生產 LED、功率開關晶體管和射頻器件。GaN 的擊穿場是硅的 10 倍。“高功率和高開關速度是 GaN 的主要優勢，”Onto 的 Knutrud 說。
今天的 GaN 功率開關器件在 150 毫米晶圓廠制造，基于高電子遷移率晶體管 (HEMT)。GaN 器件是橫向結構。源極、柵極和漏極位于結構的頂部。橫向 GaN 器件已投入量產。
一些公司正在將 GaN 器件在 200 毫米晶圓廠投入生產。“對于 GaN，它是 GaN-on-silicon 技術在 200mm 和未來甚至 300mm 上改進的性能，這是技術發展的基礎，”Lam 的 Haynes 說。
今天的 GaN 器件使用硅或 SiC 襯底。襯底頂部是一層薄薄的氮化鋁 (AlN)，然后是 AIGaN 緩沖層，然后是 GaN 層。然后，在 GaN 頂部沉積薄的 AlGaN 勢壘層，形成應變層。
如今，有幾家公司參與了 GaN 功率半導體市場。今天的橫向 GaN 功率半導體器件在 15 到 900 伏的電壓范圍內運行，但在這些電壓之外運行這些器件存在若干技術挑戰。
一方面，不同層之間存在不匹配。“這真的只是因為當你在不同的襯底上生長 GaN 時，你最終會因兩種晶格之間的不匹配而產生大量缺陷。每平方厘米的許多缺陷會導致過早擊穿和可靠性問題，”Odyssey Semiconductor 的 CTO Rick Brown 說。
解決這些問題的工作正在進行中，但橫向 GaN 目前停留在 1,000 伏以下。這就是垂直 GaN 適合的地方。它承諾在 1,200 伏及以上電壓下運行。
與其他功率半導體器件一樣，垂直 GaN 器件在器件頂部有一個源極和柵極，底部有一個漏極。此外，垂直 GaN 器件使用塊狀 GaN 襯底或 GaN-on-GaN。據 Odyssey 稱，GaN 襯底允許垂直傳導的 GaN 晶體管具有更少的缺陷。
“如果你看硅基高壓器件和碳化硅高壓器件，它們都是垂直拓撲。出于多種原因，它是高壓設備的首選拓撲。它占用的面積更小，從而降低了電容，并且將高壓端子置于晶圓的另一側而不是柵極端子具有固有的安全因素，”Brown說。
目前，Kyma、NexGen、Odyssey、Sandia 和其他公司正在研究垂直 GaN 器件。Kyma 和 Odyssey 正在增加 100 毫米（4 英寸）體 GaN 襯底。
“垂直 GaN 正在出現，我們正在向研究人員和實驗室出售產品，”Kyma 的首席技術官 Jacob Leach 說。“該行業在制作外延片方面遇到了一些挑戰。我們有不同的技術。我們能夠以低廉的成本制造垂直 GaN 所需的薄膜。”
GaN襯底已準備就緒，但垂直GaN器件本身很難開發。例如，制造這些器件需要一個離子注入步驟，在器件中注入摻雜劑。“人們沒有對 GaN 使用垂直導電拓撲的唯一原因是沒有一種很好的方法來進行雜質摻雜。Odyssey已經找到了解決辦法，”該公司的Brown說。
Odyssey 正在其自己的 4 英寸晶圓廠中開發垂直 GaN 功率開關器件。計劃是在 2022 年初發貨。其他人的目標是在同一時期。
“我們有垂直導電的 GaN 器件。我們已經證明了 pn 結，”Odyssey 首席執行官 Alex Behfar 說。“我們的第一個產品是 1,200 伏，可能是 1,200 到 1,500 伏。但是我們的路線圖將我們一直帶到 10,000 伏。由于電容和其他一些問題，我們希望在碳化硅無法訪問的頻率和電壓范圍內做出貢獻。近期，我們希望能夠為工業電機和太陽能提供設備。我們希望給電動汽車制造商機會，進一步提高車輛的續航里程。那是通過減輕系統的重量并擁有性能更好的設備。從長遠來看，我們希望實現移動充電等功能。”
如果或當垂直 GaN 器件興起時，這些產品不會取代今天的橫向 GaN 或 SiC 功率半導體，也不會取代硅基功率器件。但如果該技術能夠克服一些挑戰，垂直 GaN 器件將占有一席之地。
聯電技術開發高級總監 Seanchy Chiu 表示：“Bulk GaN 襯底上的 GaN 垂直器件為可能的下一代電力電子設備帶來了一些興奮，但還有一些關鍵問題需要解決。” “基于物理學，垂直功率器件總能比橫向器件驅動更高的功率輸出。但是 GaN 體襯底仍然很昂貴，而且晶圓尺寸僅限于 4 英寸。純代工廠正在使用 6 英寸和 8 英寸工藝制造具有競爭力的功率器件。由于其垂直載流子傳輸，需要控制襯底晶體的質量并盡量減少缺陷。”
還有其他問題。“GaN襯底比SiC襯底更昂貴，GaN中垂直方向的電子傳導僅與SiC大致相同，”橫向GaN功率半導體供應商EPC的首席執行官Alex Lidow說。“與 SiC 相比，GaN 中的電子橫向遷移率高 3 倍，但垂直方向的遷移率相同。此外，碳化硅的熱傳導效率高出三倍。這對垂直 GaN 器件幾乎沒有動力。”
氧化鎵半導體
同時，幾家公司、政府機構、研發組織和大學正在研究β-氧化鎵 (β-Ga2O3)，這是一種有前途的超寬帶隙技術，已經研發了好幾年。
Kyma 表示，氧化鎵是一種無機化合物，帶隙為 4.8 至 4.9 eV，比硅大 3,000 倍，比碳化硅大 8 倍，比氮化鎵大 4 倍。Kyma 表示，氧化鎵還具有 8MV/cm 的高擊穿場和良好的電子遷移率。
氧化鎵也有一些缺點。這就是為什么基于氧化鎵的設備仍處于研發階段且尚未商業化的原因。
盡管如此，一段時間以來，一些供應商一直在銷售基于該技術的晶圓用于研發目的。此外，業界正在研究基于氧化鎵的半導體功率器件，例如肖特基勢壘二極管和晶體管。其他應用包括深紫外光電探測器。
Flosfia、Kyma、Northrop Grumman Synoptics、NCT 和其他公司正在研究氧化鎵。美國空軍和能源部以及幾所大學都在追求它。
Kyma 已開發出直徑為 1 英寸的氧化鎵硅片，而 NCT 則在運送 2 英寸硅片。NCT 最近開發了使用熔體生長方法的 4 英寸氧化鎵外延硅片。
“氧化鎵在過去幾年取得了進展，這主要是因為您可以生成高質量的基板。因此，您可以通過標準的直拉法或其他類型的液相生長法來生長氧化鎵晶錠，”Kyma 的 Leach 說。
這是半導體工業中廣泛使用的晶體生長方法。最大的挑戰是制造基于該技術的功率器件。
“氧化鎵的挑戰是雙重的。首先，我沒有看到真正的 p 型摻雜的方法。您可能能夠制作 p 型薄膜，但您不會獲得任何空穴導電性。因此，制造雙極器件是不可能的。您仍然可以制造單極器件。人們正在研究二極管以及氧化鎵中的 HEMT 型結構。有反對者說，'如果你沒有 p 型，那就忘記它。這只是意味著它在該領域沒有那么多應用，”Leach 說。“第二大是導熱性。氧化鎵相當低。對于高功率類型的應用程序來說，這可能是一個問題。在轉換中，我不知道這是否會成為殺手。人們正在做工程工作，將氧化鎵與碳化硅或金剛石結合，以提高熱性能。”
盡管如此，該行業仍在研究設備。“第一個采用氧化鎵的功率器件將是肖特基勢壘二極管 (SBD)。我們正在開發 SBD，目標是在 2022 年開始銷售，”NCT 公司官員兼銷售高級經理 Takekazu Masui 說。
NCT 還在開發基于該技術的高壓垂直晶體管。在 NCT 的工藝中，該公司開發了氧化鎵襯底。然后，它在硅片上形成薄外延層。該層的厚度范圍可以從 5μm 到 10μm。
通過采用低施主濃度和40μm厚膜的外延層作為漂移層，NCT實現了4.2 kV的擊穿電壓。該公司計劃到 2025 年生產 600 至 1,200 伏的氧化鎵晶體管。
NCT 已經克服了氧化鎵的一些挑戰。“關于導熱性，我們已經確認可以通過使元件像其他半導體一樣更薄來獲得可以投入實際使用的熱阻。所以我們認為這不會是一個主要問題，”增井說。“NCT 正在開發兩種 p 型方法。一種是制作氧化鎵p型，另一種是使用氧化鎳和氧化銅等其他氧化物半導體作為p型材料。”
展望未來，該公司希望開發使用更大基板的設備以降低成本。減少缺陷是另一個目標。
金剛石、氮化鋁技術
多年來，業界一直在尋找可能是終極功率器件 — 金剛石。金剛石具有寬帶隙 (5.5 eV)、高擊穿場 (20MV/cm) 和高熱導率 (24W/cm.K)。
金剛石是碳的亞穩態同素異形體。對于電子應用，該行業使用通過沉積工藝生長的合成鉆石。
金剛石用于工業應用。在研發領域，公司和大學多年來一直致力于研究金剛石場效應晶體管，但目前尚不清楚它們是否會搬出實驗室。
AKHAN Semiconductor 已開發出金剛石基板和鍍膜玻璃。設備級開發處于研發階段。“AKHAN 已經實現了 300 毫米金剛石晶圓，以支持更先進的芯片需求，”AKHAN 半導體創始人 Adam Khan 說。“在高功率應用中，金剛石 FET 的性能優于其他寬帶隙材料。雖然 AKHAN 的興奮劑成就是巨大的，但圍繞客戶期望制造設備需要大量的研發、技術技能和時間。”
該技術有多種變化。例如，大阪市立大學已經展示了在金剛石襯底上結合 GaN 的能力，創造了金剛石上的 GaN 半導體技術。
氮化鋁 (AlN) 也是令人感興趣的。AlN 是一種化合物半導體，帶隙為 6.1 eV。據 AlN 襯底供應商 HexaTech 稱，AlN 的場強接近 15MV/cm，是任何已知半導體材料中最高的。
Stanley Electric 子公司 HexaTech 業務發展副總裁 Gregory Mills 表示：“AlN 適用于波段邊緣低至約 205nm 的極短波長、深紫外光電子設備。“除了金剛石之外，AlN 具有這些材料中最高的熱導率，可實現卓越的高功率和高頻設備性能。AlN 還具有獨特的壓電能力，可用于許多傳感器和射頻應用。”
幾家供應商可提供直徑為 1 英寸和 2 英寸的 AlN 晶片。AlN 已經開始受到關注。Stanley Electric 和其他公司正在使用 AlN 晶片生產紫外線 LED (UV LED)。這些專用 LED 用于消毒和凈化應用。據 HexaTech 稱，當微生物暴露在 200 納米到 280 納米之間的波長下時，UV-C 能量會破壞病原體。
“正如我們所說，基于單晶 AlN 襯底的設備正在從研發過渡到商業產品，這取決于應用領域，”米爾斯說。“其中第一個是深紫外光電子學，特別是 UV-C LED，由于它們具有殺菌和滅活病原體（包括 SARS-CoV-2 病毒）的能力，因此需求激增。”
多年前，HexaTech 因開發氮化鋁功率半導體而獲得美國能源部頒發的獎項。這里有幾個挑戰。首先，基板昂貴。“我不知道氮化鋁在這里有多大意義，因為它在 n 型和 p 型摻雜方面都有問題，”Kyma 的 Leach 說。
結論
盡管如此，基于各種下一代材料和結構的設備正在取得進展。他們有一些令人印象深刻的屬性。但他們必須克服許多問題。
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EPC 的 Lidow 說：“這意味著將需要大量資本投資才能將它們投入批量生產。” “額外的好處和可用市場的規模需要證明大量資本投資的合理性。”
