行业 | 下一代功率半导体争夺战开打(一)

2021-10-18 管理员


经过多年的研发,几家供应商正在接近出货基于下一代宽带隙技术的功率半导体和其他产品。

 经过多年的研发,几家供应商正在接近出货基于下一代宽带隙技术的功率半导体和其他产品。

这些器件利用了新材料的特性,例如氮化铝、金刚石和氧化镓,它们还用于不同的结构,例如垂直氮化镓功率器件。但是,尽管其中许多技术拥有超过当今功率半导体器件的特性,但它们在从实验室转移到晶圆厂的过程中也将面临挑战。

功率半导体通常是专用晶体管,在汽车、电源、太阳能和火车等高压应用中用作开关。这些设备允许电流在“开”状态下流动,并在“关”状态下停止。它们提高了效率并最大限度地减少了系统中的能量损失。

多年来,功率半导体市场一直由使用传统硅材料的器件主导。硅基功率器件成熟且价格低廉,但它们也达到了理论极限。

这就是为什么人们对使用宽带隙材料的设备产生浓厚兴趣的原因,这种材料可以超越当今硅基设备的性能。多年来,供应商一直在出货基于两种宽带隙技术——氮化镓 (GaN) 和碳化硅(SiC) 的功率半导体器件。使用 GaN 和 SiC 材料的功率器件比硅基器件更快、更高效。

几家供应商一直在使用下一代宽带隙技术开发设备。这些材料,例如氮化铝、金刚石和氧化镓,都具有比 GaN 和 SiC 更大的带隙能量,这意味着它们可以在系统中承受更高的电压。

今天,一些供应商正在运送使用氮化铝的专用 LED。其他人计划在 2022 年推出第一波围绕新材料制造的功率器件,但也存在一些挑战。所有这些技术都有各种缺点和制造问题。即使它们投入生产,这些设备也不会取代今天的功率半导体,无论是硅、GaN 还是 SiC。

“它们提供了令人难以置信的高性能,但在晶圆尺寸方面非常有限,” Lam Research战略营销董事总经理 David Haynes 说。“它们在很大程度上更具学术性而不是商业利益,但随着技术的进步,这种情况正在发生变化。但基板尺寸小且与主流半导体制造技术缺乏兼容性意味着它们可能只会用于极高性能设备的小批量生产,尤其是智能电网基础设施、可再生能源和铁路等要求严苛的应用。”

尽管如此,这里还是有一波活动,包括:

NexGen、Odyssey Semiconductor 和其他公司正在准备第一个垂直 GaN 器件。

 

Novel Crystal Technology (NCT) 将推出使用氧化镓的功率器件。Kyma 和 NCT 正在这里开发子状态。

 

基于金刚石和氮化铝的产品正在发货。

 

 

 

什么是功率半导体?

 

功率半导体在电力电子设备中用于控制和转换系统中的电力。它们几乎可以在每个系统中找到,例如汽车、手机、电源、太阳能逆变器、火车、风力涡轮机等。

功率半导体有多种类型,每一种都用带有“V”或电压的数字表示。“V”是器件中允许的最大工作电压。

当今的功率半导体市场由基于硅的器件主导,其中包括功率 MOSFET、超结功率 MOSFET 和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

功率 MOSFET 用于低压、10 至 500 伏的应用,例如适配器和电源。超结功率 MOSFET 用于 500 至 900 伏应用。同时,领先的中端功率半导体器件 IGBT 用于 1.2 千伏至 6.6 千伏应用,尤其是汽车应用。英飞凌销售、营销和分销高级副总裁 Shawn Slusser 表示:“IGBT 功率模型基本上正在取代汽车中的燃油喷射器。“它们从电池向电机供电。”

IGBT 和 MOSFET 被广泛使用,但它们也达到了极限。这就是宽带隙技术的用武之地。“带隙是指半导体中价带顶部和导带底部之间的能量差异,”英飞凌表示。“更大的距离允许宽带隙半导体功率器件在更高的电压、温度和频率下运行。”

硅基器件的带隙为 1.1 eV。相比之下,SiC 的带隙为 3.2 eV,而 GaN 的带隙为 3.4 eV。与硅相比,这两种材料使设备具有更高的效率和更小的外形尺寸,但它们也更昂贵。

每种设备类型都不同。例如,有两种 SiC 器件类型——SiC MOSFET 和二极管。SiC MOSFET 是功率开关晶体管。碳化硅二极管在一个方向传递电流并在相反方向阻止电流。

针对 600 伏至 10 千伏应用,碳化硅功率器件采用垂直结构。源极和栅极在器件的顶部,而漏极在底部。当施加正栅极电压时,电流在源极和漏极之间流动。

碳化硅在 150 毫米晶圆厂制造。过去几年,碳化硅功率半导体已投入批量生产。Onto Innovation营销总监 Paul Knutrud 表示:“碳化硅具有高击穿场强、热导率和效率,是电动汽车功率转换芯片的理想选择。

 

 

 

 

 

开发垂直 GaN

 

 

几家供应商一直在开发基于下一代材料和结构的产品,例如氮化铝、金刚石、氧化镓和垂直 GaN。

在多年的研发中,垂直 GaN 器件大有可为。GaN 是一种二元 III-V 族材料,用于生产 LED、功率开关晶体管和射频器件。GaN 的击穿场是硅的 10 倍。“高功率和高开关速度是 GaN 的主要优势,”Onto 的 Knutrud 说。

今天的 GaN 功率开关器件在 150 毫米晶圆厂制造,基于高电子迁移率晶体管 (HEMT)。GaN 器件是横向结构。源极、栅极和漏极位于结构的顶部。横向 GaN 器件已投入量产。

一些公司正在将 GaN 器件在 200 毫米晶圆厂投入生产。“对于 GaN,它是 GaN-on-silicon 技术在 200mm 和未来甚至 300mm 上改进的性能,这是技术发展的基础,”Lam 的 Haynes 说。

今天的 GaN 器件使用硅或 SiC 衬底。衬底顶部是一层薄薄的氮化铝 (AlN),然后是 AIGaN 缓冲层,然后是 GaN 层。然后,在 GaN 顶部沉积薄的 AlGaN 势垒层,形成应变层。

如今,有几家公司参与了 GaN 功率半导体市场。今天的横向 GaN 功率半导体器件在 15 到 900 伏的电压范围内运行,但在这些电压之外运行这些器件存在若干技术挑战。

一方面,不同层之间存在不匹配。“这真的只是因为当你在不同的衬底上生长 GaN 时,你最终会因两种晶格之间的不匹配而产生大量缺陷。每平方厘米的许多缺陷会导致过早击穿和可靠性问题,”Odyssey Semiconductor 的 CTO Rick Brown 说。

解决这些问题的工作正在进行中,但横向 GaN 目前停留在 1,000 伏以下。这就是垂直 GaN 适合的地方。它承诺在 1,200 伏及以上电压下运行。

与其他功率半导体器件一样,垂直 GaN 器件在器件顶部有一个源极和栅极,底部有一个漏极。此外,垂直 GaN 器件使用块状 GaN 衬底或 GaN-on-GaN。据 Odyssey 称,GaN 衬底允许垂直传导的 GaN 晶体管具有更少的缺陷。

“如果你看硅基高压器件和碳化硅高压器件,它们都是垂直拓扑。出于多种原因,它是高压设备的首选拓扑。它占用的面积更小,从而降低了电容,并且将高压端子置于晶圆的另一侧而不是栅极端子具有固有的安全因素,”Brown说。

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)体 GaN 衬底。

“垂直 GaN 正在出现,我们正在向研究人员和实验室出售产品,”Kyma 的首席技术官 Jacob Leach 说。“该行业在制作外延片方面遇到了一些挑战。我们有不同的技术。我们能够以低廉的成本制造垂直 GaN 所需的薄膜。”

GaN衬底已准备就绪,但垂直GaN器件本身很难开发。例如,制造这些器件需要一个离子注入步骤,在器件中注入掺杂剂。“人们没有对 GaN 使用垂直导电拓扑的唯一原因是没有一种很好的方法来进行杂质掺杂。Odyssey已经找到了解决办法,”该公司的Brown说。

未完待续。。。。。。
原文转载于公众号【半导体行业观察】