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[转载] Si基GaN功率器件的发展态势分析

[转载] Si基GaN功率器件的发展态势分析

9月5日,由国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)、中国国际光电博览会共同主办的“首届第三代半导体材料及应用发展国际研讨会”在深圳成功召开,来自中科院半导体研究所、南京大学、北京大学、科锐公司、西安电子科技大学等研究机构以及企业的近百名人士参加了此次会议。

  苏州能讯高能半导体有限公司董事长张乃千先生在会上做了以《si基GaN功率器件的发展态势分析》为题的报告,通过详细讲解氮化镓(GaN)的优势、硅(si)基氮化镓的产品优势、氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)电力电子器件的关系、LED介入氮化镓功率器件可选的商业模式和影响等等方面的内容,介绍了发展硅基氮化镓的功率器件的原因、硅基氮化镓半导体的行业状况、氮化镓功率材料与器件的市场前景和硅基氮化镓功率半导体的技术发展方向。

  他首先简单以美国为例介绍了基于半导体技术应用的节能情景,他表示,半导体技术应用以后,美国每年的节省的电费达到万亿美元,采用新一代功率器件后,电力损耗还能再减少30%。

  他指出氮化镓相比较硅的优点包括三个方面,第一点是导通电阻比较低,氮化镓的导电阻比硅低1000倍左右;第二点是速度很快,氮化镓的开关速度比硅高100倍左右,功率密度提升;第三点是耐高温,GaN可以在500℃以上的高温环境使用。

  在氮化镓和碳化硅电子器件之间的关系方面,张乃千董事长表示,氮化镓比较适合900v以下的器件,它是一个平面器件;从材料方面它们不是一个材料,它的优势是氮化镓的原材料可以依托庞大的照明产业,成本较低:氮化镓可以一直生长在一个大的硅片上,既可以降低控制成本,又可以投入大规模生产;氮化镓的规模化是很重要的,氮化镓(GaN)器件制作需要的设备可借助于硅工业,易于大规模产业化。

  张乃千就氮化镓器件的市场前景对市场空间和市场大小做了简单介绍,他说,今年所有的半导体器件加一起包括材料,大概有不到200亿美元,到2020年可能将达到400亿美元,它的发展相对平稳,不像LED企业起伏比较大。

  而在这个市场中,大概有三分之二的市场属于工业电压比较低的的900v以下,高于900v的占三分之一,氮化镓比较适合于大概三分之二的市场,这个市场相当的大。

  氮化镓行业发展状况方面,张乃千指出,在行业发展中,氮化镓起步比较早,通过政府和行业的的推动,氮化镓行业1993年出现了UCSB第一个氮化镓射频器件,1999年出现了第一个氮化镓电子电力器件,2007年在6寸硅衬底上长出了氮化镓,基本从应用的角度开始了推进;而美国欧洲也分别在2002年和2007年启动了推动计划;2013年出现了通过了JEDEC质量标准的硅基氮化镓功率器件,同时中国科技部推出了第三代半导体863计划。

  张乃千说,目前进入硅基氮化镓这个行业的大概有五种企业,分别是硅功率半导体企业、化合物半导体企业、硅集成电路企业、氮化镓风险企业和LED照明企业。其中世界排名前20的功率半导体企业基本上都在做,现在基本找不到不做硅基氮化镓的功率半导体企业;LED照明的企业做氮化镓也是非常合适的,LED照明最主要的是材料,材料引领产业,LED的MOCVD产能相当大,不仅能够满足LED的发展,也还能够满足电子器件的发展。LED厂商也可以多样化经营,可以把过剩的产能分配给功率电子,能够逐渐走进硅基氮化镓这个行业。虽然LED转向氮化镓有很大的优势,但也并不是想转就能转的,从材料来讲需要要达到6寸、8寸的变化,器件的制作和设计与LED有一定差异。因此LED需要将衬底从蓝宝石衬底变为大尺寸Si衬底,还要学习和使用功率器件设计和加工技术。

  LED介入氮化镓功率器件的商业模式有两种,张乃千指出,第一种是自己做,包括生产氮化镓外延材料并制造功率器件,第二种是提供氮化镓功率外延片给器件生产商。

  张乃千说,LED行业介入氮化镓功率器件最有诱惑的一点是它的成本可以削减,在LED的发展过程中,固定资产的投入折旧占了很大一部分,从这个角度讲,外延的成本能够削减20%,总体而言成本可以削减10%左右。

  张乃千提出,在所有工艺半导体成长中,随着氮化镓材料可以在6寸到8寸的晶圆上生长之后,制作很快也会朝着6寸到8寸发展。他说,未来氮化镓的主要发展方向是6寸到8寸,并以8寸为主。

  同时,他还指出了氮化镓在发展之初存在的7个技术问题:

  外延技术:外延技术具有很大的热失配和晶格失配难点,特别是热失配,需要运用应力工程的方法才能把外延上没有晶圆的变成有晶圆的,比如说2007年IMEC运用应力工程,在4寸和6寸Si衬底上使用AlN成核层和AlGaN中间层制作了功率器件,现在华测、三星等企业都能生产比较的好的氮化镓材料。

  提高击穿电压:氮化镓和碳化硅不一样,制作结构中对击穿电压有很多要求,除了我们常见的长板结构是所有的线都要用的,涉及的氮化镓非常的多,主要有几个方面,首先是涉及缓冲层,氮化镓硅基要在氮化镓和硅基中间产生一个不导电的缓冲层;第2种方法是通过PN加减的方式把压降反过来或压降到一个统一的方向,随着电压减少效果越来越差,但也能起到一定作用;第3个方法是把硅去掉,氮化镓粘到不导电的芯片上面。

  三、实现常关型器件:氮化镓刚出现的时候RS器件是常开型的,所以常关型的器件对电子电源非常重要,也有几个方向,首先是凹槽栅方向,通过干法刻蚀减薄栅极下势垒层的厚度,减弱或完全消除栅极区域的极化效应,这个技术刚开始应用的比较多;其次是p-GaN栅技术,美国EPC、德国FBH和日本Meijo大学等使用了该技术。后来香港科技大学发展了氟离子注入方式,比较适合平面器件。最后是Cap的方式,这方式适合应用在硅的器件中,硅器件的抗耐热还有电源上面都会存在有一定问题。

  抑制电流崩塌效应:开关中开和关需要,我们希望它能把氮化镓高速的性能发扬出来抑制电流崩塌效应。表面钝化,减少RF信号电流崩塌效应;场板方法,现在电厂在做防止电流崩塌;还有生长冒层的结构,这几个结构跟RS器件的结构比较类似,RS器件结构也有电流崩塌效应。

  硅工艺兼容的制造工艺:大规模的应用硅工艺,我们现阶段的LED产业的重金属对硅工艺有损害的,同时它的成本也比较高,硅工艺兼容的制造工艺发展方向,像士兰微既做LED也能够做硅是一个比较好的结合。

  可靠性:功率器件的可靠性是非常重要的,特别是电流,它是一个系统中最核心的一个部件,电源有七个角度分析器件失效的方向,器件失效是我们做器件一个主要的研究方向。例如:电子器件的热效应比较强,在很高的热的情况下直流加速下失效,跟氮化镓中看不见的氮有一定关系。

  功率集成技术:氮化镓器件的电压比较小,这跟高电压器件不太一样,它的电压比较小适合,它需要集成电压,它的控制和速度都容易提高起来。

  总的来说氮化镓电子器件的发展不是一年两年的事情,这需要很长的时间,首先前3年要做技术开发,同时质量认证和产能提高也很重要,因为电子期间的制作过程远远比LED要复杂,这是一个周期比较长的产业。从今年开始,氮化镓的销售额在逐年增长,到2020年可能会达到几亿美元或者20亿美元的销售(不含国防应用),这个也是可喜的一面,同时我们切入的电子器件市场到2020年也能达到6%的市场,这是对氮化镓的相对市场的认识。

  张乃千最后对硅基氮化镓的市场认识总结道,GaN功率器件的社会效益比较高,市场机会比较大,值得我们进入市场。在中国发展Si基GaN功率半导体有着良好的基础。但是我们要认识到这个行业的复杂度比较高,因为材料涉及到微电子制造,存在一定的技术问题,它不等同于微电子技术,切入有一些难度,所以企业有必要开展广泛的合作,不仅是我们的产业,微电子产业、跨国半导体产业、LED产业之间都要加强相互合作,要产学研用,共享合作。目前我们的产业刚刚起步,还处于投入期,而不是发展收获期,都具有一定的风险,在这种情况下政府的引导、协调、帮助都是至关重要的。

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