为下一代动力半挂车做准备

经过多年的研发，几家供应商正在向基于下一代宽带隙技术的功率半导体和其他产品迈进。

这些器件利用了新材料的特性，如氮化铝、金刚石和氧化镓，它们也用于不同的结构，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，但它们也将面临从实验室到晶圆厂的挑战。

功率半导体通常是专门的晶体管，在汽车、电源、太阳能和火车等高压应用中作为开关工作。该装置允许电流在“开”状态下流动，并在“关”状态下停止。它们提高了系统的效率，最大限度地减少了能量损失。

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。硅基发电装置已经成熟且价格低廉，但它们也正在达到理论上的极限。

这就是为什么人们对使用宽带隙材料的设备产生了浓厚的兴趣，这种材料可以超过目前硅基设备的性能。多年来，供应商一直在销售基于两种宽带隙技术的功率半器件氮化镓(甘)和碳化硅(原文如此)。使用GaN和SiC材料的功率器件比硅基器件更快、更高效。

几家供应商一直在研发使用下一代宽带隙技术的设备。这些材料，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。其他公司计划在2022年推出第一波采用新材料制造的电力设备，但仍面临一些挑战。所有这些技术都存在各种缺陷和制造问题。而且，即使它们能够投入生产，这些器件也不会取代今天的功率半晶片，无论是硅、GaN还是SiC。

“他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，”David Haynes说，该公司战略营销董事总经理林的研究．“它们在很大程度上更多的是学术利益，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。但小的衬底尺寸和缺乏与主流半导体制造技术的兼容性，意味着它们只可能被用于低批量生产超高性能器件，特别是智能电网基础设施、可再生能源和铁路等要求较高的应用。”

尽管如此，这里仍有一波活动，包括:

• NexGen、奥德赛半导体(Odyssey Semiconductor)和其他公司正在准备推出第一批垂直GaN器件。
• 新型晶体技术(NCT)将推出使用氧化镓的功率器件。Kyma和NCT在这里形成底态。
• 基于金刚石和氮化铝的产品正在出货。

材料	带隙(eV)
硅	1.1电动汽车
原文如此	3.2电动汽车
高	4.8 - -4.9电动汽车
氮化镓	3.4电动汽车
钻石	5.5电动汽车
还	6.1电动汽车

图1:不同的材料和间隙。资料来源:公司报告/半导体工程

什么是幂半?
功率半导体用于电力电子控制和转换系统中的电力。它们几乎可以在每一个系统中找到，比如汽车、手机、电源、太阳能逆变器、火车、风力涡轮机和其他。

有不同类型的功率半表，每一种都用一个带“V”或电压的数字表示。“V”是设备中允许的最大工作电压。

今天的功率半导体市场由硅基器件主导，其中包括功率场效应管、超结功率mosfet等绝缘栅双极晶体管(igbt)。

功率mosfet用于较低电压，10至500伏的应用，如适配器和电源。超结功率mosfet用于500至900伏的应用。与此同时，igbt是领先的中端功率半导体器件，用于1.2千伏至6.6千伏的应用，特别是汽车应用。该公司销售、营销和分销高级副总裁Shawn Slusser表示:“IGBT动力模型基本上正在取代汽车的燃油喷射器英飞凌．“它们从电池向电机输送电力。”

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，”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、温度和频率下工作。”

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

每种设备类型不同。例如，有两种碳化硅器件类型-碳化硅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上传递电流，并在相反的方向上阻挡它。

针对600伏至10千伏的应用，SiC功率器件采用垂直结构。源和门在设备的顶部，而漏在底部。当施加正栅极电压时，电流在源极和漏极之间流动。

SiC是在150mm晶圆厂生产的。在过去的几年里，碳化硅功率半晶片一直在量产。“由于具有高击穿场强、导热性和效率，碳化硅是电动汽车电源转换芯片的理想选择，”该公司市场总监保罗·克努特鲁德表示上的创新．

图2:当今的电源开关如何分类。来源:英飞凌

发展垂直GaN
一些供应商一直在开发基于下一代材料和结构的产品，如氮化铝、金刚石、氧化镓和垂直GaN。

在多年的研发中，垂直GaN器件前景广阔。GaN是一种二进制III-V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。“高功率和高切换速度是GaN的主要优势，”Onto的Knutrud说。

在150mm晶圆厂制造，今天的GaN功率开关器件基于高电子迁移率晶体管(hemt)。GaN器件是横向结构。源头、闸门和排水口都在建筑物的顶部。横向GaN器件已投入量产。

一些公司正在将GaN器件投入200毫米晶圆厂的生产。Lam的Haynes表示:“对于GaN而言，在200mm甚至在300mm上的GaN-on-silicon技术性能的提高是支撑该技术发展的基础。”

今天的GaN器件使用硅或SiC衬底。在基板的顶部是薄层氮化铝(AlN)，接着是AIGaN缓冲层，然后是GaN层。然后，在GaN上沉积一层薄的AIGaN阻挡层，形成应变层。

今天，有几家公司参与了GaN功率半导体市场。目前，横向GaN功率半器件的工作电压为15 ~ 900伏，但在超过这些电压的情况下，操作这些器件存在一些技术挑战。

首先，不同的层之间存在不匹配。“这实际上只是因为当你在不同的衬底上生长GaN时，你最终会因为两个晶格之间的不匹配而产生大量缺陷。奥德赛半导体的CTO Rick Brown说:“每厘米²的许多缺陷会导致过早击毁和可靠性问题。”

目前正在努力解决这些问题，但横向GaN目前仍停留在1000伏以下。这就是垂直GaN的适用范围。它承诺在1200伏及以上的电压下工作。

像其他功率半器件一样，垂直GaN器件在器件顶部包含一个源和栅极，在底部包含一个漏极。此外，垂直GaN器件使用块状GaN衬底或GaN-on-GaN。根据奥德赛公司的说法，氮化镓衬底允许垂直传导氮化镓晶体管具有更少的缺陷。

“如果你看看硅基高压器件和碳化硅高压器件，它们都是垂直拓扑。它是高压设备的首选拓扑结构，原因有很多。它占用更少的面积，从而降低了电容，而且将高压端子置于晶圆另一侧而不是栅极端子具有固有的安全因素。”

图3:横向GaN器件。来源:奥德赛半导体

图4:垂直GaN器件。来源:奥德赛半导体

如今，Kyma、NexGen、Odyssey、Sandia等公司都在研究垂直GaN设备。Kyma和Odyssey正在增加100mm(4英寸)块状GaN衬底。

Kyma首席技术官Jacob Leach表示:“垂直GaN即将问世，我们正在向研究人员和实验室销售。“该行业在生产肾上腺素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衬底已经准备就绪，但垂直GaN器件本身的开发很困难。例如，制造这些设备需要一个离子注入步骤，即在设备中注入掺杂剂。“人们还没有将垂直导电拓扑用于GaN的唯一原因是还没有一个很好的方法来进行杂质掺杂。奥德赛公司已经找到了解决办法。”

奥德赛正在自己的4英寸晶圆厂开发垂直GaN电源开关设备。该公司计划在2022年初发货。其他公司也瞄准了同一时期。

“我们有垂直导电GaN器件。我们已经证明了p-n连接，”奥德赛公司首席执行官亚历克斯·贝法尔说。“我们的第一个产品是1200伏特，可能是1200到1500伏特。但我们的路线图把我们带到一万伏。我们希望在碳化硅无法达到的频率和电压范围内做出贡献，因为电容和其他一些问题。短期内，我们希望能够为工业电机和太阳能提供一种设备。我们希望给电动汽车制造商进一步提高汽车续航里程的机会。这是通过减少系统的重量，并拥有更好的性能设备。从长远来看，我们希望实现诸如随时充电之类的功能。”

如果垂直GaN器件发展起来，这些产品不会取代目前的横向GaN或SiC功率半器件，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器件将有一席之地。

“大块GaN基板上的GaN垂直器件已经为可能出现的下一代电力电子器件带来了一些兴奋，但仍有几个关键问题需要解决，”该公司技术开发高级总监Seanchy Chiu说联华电子．“根据物理原理，垂直功率设备总是能比横向设备产生更高的功率输出。但GaN块基板仍然昂贵，晶圆尺寸限制在4英寸。纯晶圆代工厂正在使用6英寸和8英寸工艺制造具有竞争力的功率器件。由于它的垂直载流子运输，需要控制衬底晶体的质量，尽量减少缺陷。

还有其他问题。横向GaN功率半晶片供应商EPC的首席执行官亚历克斯•利多(Alex Lidow)表示:“GaN衬底比SiC衬底更昂贵，而且GaN中垂直方向的电子传导仅与SiC相同。”“与SiC相比，GaN中电子的横向迁移率提高了3倍，但垂直方向的迁移率相同。此外，SiC的热传导效率提高了三倍。这使得垂直GaN设备的动力不足。”

半氧化镓
与此同时，几家公司、政府机构、研发机构和大学正在研究β-镓氧化物(β-Ga2O3)，这是一种很有前途的超宽带隙技术，已经研发了好几年了。

据Kyma介绍，氧化镓是一种无机化合物，带隙为4.8 ~ 4.9 eV，比硅大3000倍，比SiC大8倍，比GaN大4倍。据Kyma称，氧化镓还表现出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器件仍处于研发阶段，还没有商业化。

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，如肖特基势垒二极管和晶体管。其他应用包括深紫外光探测器。

Flosfia, Kyma, Northrop Grumman Synoptics, NCT等公司正在研究氧化镓。美国空军、能源部以及几所大学都在研究这一技术。

Kyma已经开发出直径为1英寸的氧化镓晶圆，而NCT正在生产直径为2英寸的晶圆。NCT最近使用熔体生长方法开发了4英寸氧化镓外延晶圆。

“氧化镓在过去几年里取得了进展，这主要是因为你可以生成高质量的基板。所以你可以通过标准的齐拉斯基方法或其他类型的液相生长来生长氧化镓球。”

这是一种广泛应用于半导体行业的晶体生长方法。最大的挑战是制造基于该技术的电力设备。

“氧化镓面临着双重挑战。首先，我看不出真正的p型兴奋剂。你也许可以制造p型薄膜，但你不会得到任何空穴导电性。所以做双极设备是不可能的。你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。有些反对者说，‘如果你没有p型，那就忘了它吧。’这只是意味着它在该领域的应用没有那么多，”Leach说。“第二大因素是导热性。氧化镓的含量很低。 That’s potentially a problem for high-power types of applications. In switching, I don’t know if that’s going to be a killer. People are doing engineering work to integrate gallium oxide with either silicon carbide or diamond to improve the thermal performance.”

不过，该行业仍在研发设备。“第一个使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公司高管兼销售高级经理Takekazu Masui表示。

NCT还在开发基于该技术的高压垂直晶体管。在NCT的工艺中，该公司开发了一种氧化镓衬底。然后在晶圆上形成薄的外延层。层厚范围为5μm ~ 10μm。

通过采用低供体浓度外延层和40μm厚薄膜作为漂移层，NCT实现了4.2 kV的击穿电压。该公司计划到2025年生产600 ~ 1200伏的氧化镓晶体管。

NCT已经克服了氧化镓的一些挑战。“关于热导率，我们已经证实，可以通过像其他半导体一样将元件做得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大问题。”“NCT正在开发两种p型方法。一种是制造氧化镓p型，另一种是使用氧化镍、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衬底的设备，以降低成本。减少缺陷是另一个目标。

Diamond, AlN科技公司
多年来，该行业一直在寻找可能是终极动力装置——钻石。金刚石具有宽带隙(5.5 eV)、高击穿场(20MV/cm)和高导热系数(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过程生长的人造钻石。

钻石用于工业用途。在研发方面，公司和大学多年来一直在研究金刚石场效应晶体管，但尚不清楚它们是否会走出实验室。

AKHAN半导体公司开发了金刚石衬底和镀膜玻璃。设备级开发属于研发。AKHAN半导体公司创始人Adam Khan表示:“AKHAN已经实现了300毫米钻石晶圆，以支持更先进的芯片需求。”“金刚石fet在高功率应用中优于其他宽带隙材料。虽然AKHAN的掺杂成就是巨大的，但根据客户的期望制造设备需要大量的研发、技术技能和时间。”

这项技术有多种变体。例如，大阪城市大学已经证明了将GaN结合在金刚石衬底上的能力，创造了GaN-on-diamond半导体技术。

氮化铝(AlN)也是人们感兴趣的材料。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具有近15MV/cm的场强，是所有已知半导体材料中最高的。

Stanley Electric子公司HexaTech的业务发展副总裁Gregory Mills表示:“AlN适用于非常短的波长，深紫外光电子器件，其波段边缘约为205nm。”除金刚石外，AlN在这些材料中具有最高的热导率，这可以实现超高功率和高频器件性能。AlN还具有独特的压电性能，可用于许多传感器和射频应用。”

AlN晶圆可从几个供应商在1英寸和2英寸直径。AlN已经获得了吸引力。Stanley Electric和其他公司正在使用AlN晶圆生产紫外线led (UV led)。这些专用led用于消毒和净化应用。据HexaTech公司称，当微生物暴露在200nm到280nm的波长下时，UV-C能量会破坏病原体。

Mills说:“基于单晶AlN衬底的器件正在从研发过渡到商业产品，这取决于应用空间。”“其中第一个是深紫外光电子技术，特别是UV-C led，由于它们能够消毒和灭活包括SARS-CoV-2病毒在内的病原体，需求激增。”

几年前，HexaTech获得了美国能源部的奖励，以开发AlN功率半导体。这里有几个挑战。首先，基材很贵。“我不知道氮化铝在这里有什么意义，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，基于各种新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特点。但他们必须克服一系列问题。

“这意味着将需要大量的资本投资，使其进入量产，”EPC的Lidow说。“额外的好处和现有市场的规模需要证明大规模资本投资是合理的。”

有关的故事
碳化硅竞赛开始
随着SiC转向更高的电压，BEV用户可以获得更快的充电速度、更长的续航里程和更低的系统成本
提高GaN和SiC的可靠性
权力争夺战开始