寻找下一代功率晶体管

几十年来，该行业一直依靠各种功率半导体以有效的方式控制和转换电能。电源半晶片无处不在，因为它们存在于适配器、电器、汽车、电梯、开关电源、电网和其他系统中。

但今天的硅基功率半导体晶体管技术，如igbt、mosfet和晶闸管，正逐渐接近它们的物理极限。因此，多年来，业界开发了基于宽带隙技术的更快，更高效的功率芯片，即硅上的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。

然而，如今的宽带隙器件也面临着各种各样的问题，这促使人们需要一种新的颠覆性技术。事实上，在下一代功率晶体管的开发方面，正在兴起一股越来越大的研发浪潮。下一代候选材料包括大块垂直氮化镓、金刚石场效应管、新型碳化硅等。

美国能源部高级研究计划局(ARPA-E)的项目主管Tim Heidel表示:“如果开发成功，这些设备可以在更高功率水平上提供与硅基功率设备同等功能成本的途径。”专注于早期技术的ARPA-E最近宣布了一项计划，旨在开发用于1200伏及更高电压应用的下一代设备和材料。这个项目被称为SWITCHES，是“用于控制高效系统的宽带隙、廉价晶体管策略”的缩写。

目前的GaN-on-silicon功率芯片和SiC fet已经开始出货，但下一代技术的批量出货可能需要数年甚至数十年的时间。“GaN在LED领域取得了成功，但衬底质量存在一些问题，”英特尔晶体管技术集团高级主管亚当•布兰德(Adam Brand)表示应用材料。“钻石具有高导热性，但也很昂贵。就实用性而言，它还很遥远。”

功率半狂躁
除了ARPA-E计划，许多其他公司、研究机构和大学也在开发下一代功率半导体技术，这是有充分理由的。据埃克森美孚称，从2010年到2040年，全球电力需求预计将增长87%。但据估计，在电力的传输和分配中，损失可能在8%到15%之间。

因此，我们迫切需要更快、更高效的系统和芯片。今天的电力电子系统从几瓦到几兆瓦不等。在一个系统中，有各种各样的元件和晶体管类型。

在低端，最常见的硅基晶体管类型是功率MOSFET。一个增强版，超级结MOSFET，是一个垂直器件，最高电压约为900伏。

领先的中档功率半导体器件是绝缘栅双极晶体管(IGBT)，它是一种结合了mosfet和双极晶体管特性的三端器件。在高端领域，业界使用晶闸管，这是一种晶圆级的固态器件。

“现有的技术主要是硅。在市场上，也有各种电压节点。例如，有600伏节点。现在的硅基超结mosfet可能很好地满足了这个电压节点。你的笔记本充电器或你插在墙上的其他东西可能使用的是超级结MOSFET，”Avogy首席技术官Isik Kizilyalli说。Avogy是一家正在开发批量垂直GaN晶体管的初创公司。Avogy获得了来自英特尔和其他人。

“在1200伏或更高的电压下，人们使用igbt。但这些都是缓慢的，”Kizilyalli说。“SiC器件开始渗透市场，更多的是1200伏电压。这将是下一波高压设备。GaN将是下一波浪潮。”

理论上，像GaN和SiC这样的宽带隙芯片比硅更小、更快、更高效。它们在更高的温度、频率和电压下工作，从而有助于消除高达90%的电力转换功率损失。宽带隙是指大于1电子伏特(eV)的高电压电子带隙。

SiC, GaN，金刚石
今天，几家公司正在出货SiC fet，其目标是600伏，1200伏和1700伏的应用。基于硅和碳，SiC具有3.3 eV的带隙。硅的带隙为1.1 eV。不利的一面是，SiC器件是在100mm或150mm的衬底上制造的，这使得晶圆成本有些昂贵。碳化硅场效应管还存在有效沟道迁移率低的问题。

然而，在研发方面，Cree最近设计了SiC fet，有朝一日可以取代硅基igbt和晶闸管。单极SiC fet具有高达15 kv的阻塞电压。igbt和晶闸管的阻断电压高达8kv。

在15千伏的电压下，单极器件会遇到瓶颈，这促使人们需要双极技术。在研发方面，Cree还设计了一种具有27 kv阻断电压的SiC n-IGBT组合器件。根据Cree的说法，这是迄今为止世界上半导体器件的最高电压。

Cree的电源和射频首席技术官John Palmour表示，尽管这些设备仍处于研发阶段，但它们展示了SiC在高功率应用中的能力。他说:“与6.5 kv硅igbt相比，单极SiC mosfet的开关损耗降低了近30倍。”

另一项技术氮化镓被吹捧为电力和射频领域的下一件大事。GaN的带隙为3.4 eV。今天的GaN-on-silicon器件是横向结构，这意味着电流从源流向表面的漏极。

然而，硅基氮化镓器件面临着各种各样的问题。Avogy的Kizilyalli说:“这不是格子匹配。”“但人们已经能够在它上面制造出很好的射频设备。很多人也在尝试在200伏和600伏电压下为电力电子器件制造硅基氮化镓。但其可靠性存在问题。还有可扩展性的问题。”

事实上，横向GaN-on-silicon器件可能会在600伏时撞墙，这促使人们需要下一代技术，即大块垂直GaN晶体管。在垂直GaN器件中，电子从顶部流向底部。Kizilyalli说:“我们不会遇到晶格不匹配的问题，因为我们正在种植GaN-on-GaN。”“如果你是垂直的，你可以制造1200到1700伏的设备。我们可以把它做到3.7千伏。在横向配置中，这非常困难，也不简单。”

使用2英寸晶圆和MOCVD工艺，Avogy正在对有限数量的设备进行采样。“我们尝试过4英寸。GaN衬底有多个供应商。这些都很贵，但随着时间的推移，价格正在下降，质量也在提高。”“总体而言，垂直GaN将改变电力电子行业。这不会在明年发生。很多根本问题需要解决。”

根据Lux Research的说法，散装GaN衬底限于小尺寸且价格昂贵，这意味着GaN-on-GaN在未来十年中将发挥有限的作用。另一方面，根据Lux的说法，GaN-on-SiC可能会在2017年开始在运输市场上获得一些牵引力。

除了碳化硅和氮化镓，人们还对可能是最终功率器件的金刚石感兴趣。金刚石具有宽禁带(5.45 eV)、高击穿场(10MV/cm)和高导热系数(22W/cmK)等特点。金刚石是碳的亚稳态同素异形体。对于电子应用，该行业主要使用通过化学气相沉积(CVD)工艺生长的合成钻石。

钻石场效应管可能需要数年时间才能成为主流。Lam Research高级副总裁兼首席技术官戴夫·赫姆克(Dave Hemker)表示:“人们很难不对高导电性的材料感兴趣。”“问题一直是如何以一种在半导体意义上有用的方式经济地种植钻石。”

尽管如此，研究人员还是在这一领域取得了一些突破。亚利桑那州立大学(ASU)物理系教授罗伯特·内曼尼奇(Robert Nemanich)表示:“钻石电子行业正在进入复兴时期。”亚利桑那州立大学本身也获得了SWITCHES项目的拨款，用于开发钻石半导体器件。

“问题是钻石很难染色。但在过去的几年里，兴奋剂在n型中取得了进展。对于p型，人们已经使用硼作为掺杂剂很多年了。为了得到n型材料，磷已经被证明是掺杂剂。”Nemanich说。“缺少的另一件事是可复制的高质量基质。但是现在，你可以买到相对便宜的金刚石衬底来做功率器件。对于3mm x 3mm的基板或类似的东西，价格是100美元，或者可能是100到500美元，这取决于你想要的质量。”

多年来，至少在实验室里，许多实体已经生产出了金刚石场效应管。例如，日本早稻田大学是该领域的领导者之一，最近发表了一篇关于用于1000伏应用的金刚石场效应管的论文。

代替传统的掺硼p型金刚石场效应管，早稻田利用基于h端(C-H)金刚石表面的p沟道场效应管。简单来说，当端氢金刚石暴露在空气中时，C-H金刚石场效应管在表面变得高导电性。早稻田大学科学与工程学院教授Hiroshi Kawarada说:“C-H金刚石fet表现出更优越的晶体管性能，因为表面附近密集的空穴积累可以通过施加表面侧的栅极偏压有效地调制。”

为了制造金刚石场效应管，早稻田利用微波等离子体辅助CVD技术在金刚石衬底上生长了厚度为0.5μm的未掺杂金刚石层。该器件的关键是在场效应管顶部形成致密的表面空穴(2D空穴气体，2DHG)。研究人员使用原子层沉积(ALD)工艺在450°C下将Al2O3涂覆，以在没有吸附的情况下再生2DHG。

与此同时，在SWITCHES项目中，亚利桑那州立大学正在研究基于钻石的设备。“亚利桑那州立大学正专注于培养磷掺杂层。电触点有点棘手，因为金刚石材料的功函数很低。我们正在取得良好进展。我们也准备好构建pn连接了。之后，我们将构建一个双极结晶体管。这将是一个垂直的配置，”亚利桑那州立大学的Nemanich说。

不过，问题很清楚。未来，金刚石场效应管会取代硅和其他宽带隙技术吗?“在一些领域，碳化硅和氮化镓将成为未来的领导者。但也有金刚石可以发挥作用的地方，特别是在最高电压器件中，”Nemanich说。“硅基电力电子也不是一个静态的领域。保持领先于硅是非常困难的。所以，很难说最后谁会赢。”