行业 | 下一代功率半导体争夺战开打(二)

2021-10-18 管理员


Odyssey 正在其自己的 4 英寸晶圆厂中开发垂直 GaN 功率开关器件。计划是在 2022 年初发货。其他人的目标是在同一时期。

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Odyssey 正在其自己的 4 英寸晶圆厂中开发垂直 GaN 功率开关器件。计划是在 2022 年初发货。其他人的目标是在同一时期。

“我们有垂直导电的 GaN 器件。我们已经证明了 pn 结,”Odyssey 首席执行官 Alex Behfar 说。“我们的第一个产品是 1,200 伏,可能是 1,200 到 1,500 伏。但是我们的路线图将我们一直带到 10,000 伏。由于电容和其他一些问题,我们希望在碳化硅无法访问的频率和电压范围内做出贡献。近期,我们希望能够为工业电机和太阳能提供设备。我们希望给电动汽车制造商机会,进一步提高车辆的续航里程。那是通过减轻系统的重量并拥有性能更好的设备。从长远来看,我们希望实现移动充电等功能。”

如果或当垂直 GaN 器件兴起时,这些产品不会取代今天的横向 GaN 或 SiC 功率半导体,也不会取代硅基功率器件。但如果该技术能够克服一些挑战,垂直 GaN 器件将占有一席之地。

联电技术开发高级总监 Seanchy Chiu 表示:“Bulk GaN 衬底上的 GaN 垂直器件为可能的下一代电力电子设备带来了一些兴奋,但还有一些关键问题需要解决。” “基于物理学,垂直功率器件总能比横向器件驱动更高的功率输出。但是 GaN 体衬底仍然很昂贵,而且晶圆尺寸仅限于 4 英寸。纯代工厂正在使用 6 英寸和 8 英寸工艺制造具有竞争力的功率器件。由于其垂直载流子传输,需要控制衬底晶体的质量并尽量减少缺陷。”

还有其他问题。“GaN衬底比SiC衬底更昂贵,GaN中垂直方向的电子传导仅与SiC大致相同,”横向GaN功率半导体供应商EPC的首席执行官Alex Lidow说。“与 SiC 相比,GaN 中的电子横向迁移率高 3 倍,但垂直方向的迁移率相同。此外,碳化硅的热传导效率高出三倍。这对垂直 GaN 器件几乎没有动力。”

 

 

氧化镓半导体

 

同时,几家公司、政府机构、研发组织和大学正在研究β-氧化镓 (β-Ga2O3),这是一种有前途的超宽带隙技术,已经研发了好几年。

Kyma 表示,氧化镓是一种无机化合物,带隙为 4.8 至 4.9 eV,比硅大 3,000 倍,比碳化硅大 8 倍,比氮化镓大 4 倍。Kyma 表示,氧化镓还具有 8MV/cm 的高击穿场和良好的电子迁移率。

氧化镓也有一些缺点。这就是为什么基于氧化镓的设备仍处于研发阶段且尚未商业化的原因。

尽管如此,一段时间以来,一些供应商一直在销售基于该技术的晶圆用于研发目的。此外,业界正在研究基于氧化镓的半导体功率器件,例如肖特基势垒二极管和晶体管。其他应用包括深紫外光电探测器。

Flosfia、Kyma、Northrop Grumman Synoptics、NCT 和其他公司正在研究氧化镓。美国空军和能源部以及几所大学都在追求它。

Kyma 已开发出直径为 1 英寸的氧化镓硅片,而 NCT 则在运送 2 英寸硅片。NCT 最近开发了使用熔体生长方法的 4 英寸氧化镓外延硅片。

“氧化镓在过去几年取得了进展,这主要是因为您可以生成高质量的基板。因此,您可以通过标准的直拉法或其他类型的液相生长法来生长氧化镓晶锭,”Kyma 的 Leach 说。

这是半导体工业中广泛使用的晶体生长方法。最大的挑战是制造基于该技术的功率器件。

“氧化镓的挑战是双重的。首先,我没有看到真正的 p 型掺杂的方法。您可能能够制作 p 型薄膜,但您不会获得任何空穴导电性。因此,制造双极器件是不可能的。您仍然可以制造单极器件。人们正在研究二极管以及氧化镓中的 HEMT 型结构。有反对者说,'如果你没有 p 型,那就忘记它。这只是意味着它在该领域没有那么多应用,”Leach 说。“第二大是导热性。氧化镓相当低。对于高功率类型的应用程序来说,这可能是一个问题。在转换中,我不知道这是否会成为杀手。人们正在做工程工作,将氧化镓与碳化硅或金刚石结合,以提高热性能。”

尽管如此,该行业仍在研究设备。“第一个采用氧化镓的功率器件将是肖特基势垒二极管 (SBD)。我们正在开发 SBD,目标是在 2022 年开始销售,”NCT 公司官员兼销售高级经理 Takekazu Masui 说。

NCT 还在开发基于该技术的高压垂直晶体管。在 NCT 的工艺中,该公司开发了氧化镓衬底。然后,它在硅片上形成薄外延层。该层的厚度范围可以从 5μm 到 10μm。

通过采用低施主浓度和40μm厚膜的外延层作为漂移层,NCT实现了4.2 kV的击穿电压。该公司计划到 2025 年生产 600 至 1,200 伏的氧化镓晶体管。

NCT 已经克服了氧化镓的一些挑战。“关于导热性,我们已经确认可以通过使元件像其他半导体一样更薄来获得可以投入实际使用的热阻。所以我们认为这不会是一个主要问题,”增井说。“NCT 正在开发两种 p 型方法。一种是制作氧化镓p型,另一种是使用氧化镍和氧化铜等其他氧化物半导体作为p型材料。”

展望未来,该公司希望开发使用更大基板的设备以降低成本。减少缺陷是另一个目标。

 

 

 

金刚石、氮化铝技术

 

多年来,业界一直在寻找可能是终极功率器件 — 金刚石。金刚石具有宽带隙 (5.5 eV)、高击穿场 (20MV/cm) 和高热导率 (24W/cm.K)。

金刚石是碳的亚稳态同素异形体。对于电子应用,该行业使用通过沉积工艺生长的合成钻石。

金刚石用于工业应用。在研发领域,公司和大学多年来一直致力于研究金刚石场效应晶体管,但目前尚不清楚它们是否会搬出实验室。

AKHAN Semiconductor 已开发出金刚石基板和镀膜玻璃。设备级开发处于研发阶段。“AKHAN 已经实现了 300 毫米金刚石晶圆,以支持更先进的芯片需求,”AKHAN 半导体创始人 Adam Khan 说。“在高功率应用中,金刚石 FET 的性能优于其他宽带隙材料。虽然 AKHAN 的兴奋剂成就是巨大的,但围绕客户期望制造设备需要大量的研发、技术技能和时间。”

该技术有多种变化。例如,大阪市立大学已经展示了在金刚石衬底上结合 GaN 的能力,创造了金刚石上的 GaN 半导体技术。

氮化铝 (AlN) 也是令人感兴趣的。AlN 是一种化合物半导体,带隙为 6.1 eV。据 AlN 衬底供应商 HexaTech 称,AlN 的场强接近 15MV/cm,是任何已知半导体材料中最高的。

Stanley Electric 子公司 HexaTech 业务发展副总裁 Gregory Mills 表示:“AlN 适用于波段边缘低至约 205nm 的极短波长、深紫外光电子设备。“除了金刚石之外,AlN 具有这些材料中最高的热导率,可实现卓越的高功率和高频设备性能。AlN 还具有独特的压电能力,可用于许多传感器和射频应用。”

几家供应商可提供直径为 1 英寸和 2 英寸的 AlN 晶片。AlN 已经开始受到关注。Stanley Electric 和其他公司正在使用 AlN 晶片生产紫外线 LED (UV LED)。这些专用 LED 用于消毒和净化应用。据 HexaTech 称,当微生物暴露在 200 纳米到 280 纳米之间的波长下时,UV-C 能量会破坏病原体。

“正如我们所说,基于单晶 AlN 衬底的设备正在从研发过渡到商业产品,这取决于应用领域,”米尔斯说。“其中第一个是深紫外光电子学,特别是 UV-C LED,由于它们具有杀菌和灭活病原体(包括 SARS-CoV-2 病毒)的能力,因此需求激增。”

多年前,HexaTech 因开发氮化铝功率半导体而获得美国能源部颁发的奖项。这里有几个挑战。首先,基板昂贵。“我不知道氮化铝在这里有多大意义,因为它在 n 型和 p 型掺杂方面都有问题,”Kyma 的 Leach 说。

 

 

结论

 

尽管如此,基于各种下一代材料和结构的设备正在取得进展。他们有一些令人印象深刻的属性。但他们必须克服许多问题。

EPC 的 Lidow 说:“这意味着将需要大量资本投资才能将它们投入批量生产。” “额外的好处和可用市场的规模需要证明大量资本投资的合理性。”

 

原文转载于公众号【半导体行业观察】