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近日，SEMICON China 2017 各專業(yè)論壇全面展開，其中為期兩天的“功率及化合物半導(dǎo)體論壇”，首日圍繞著 Si、SiC 以及 GaN 材料和寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)，深入探討了未來功率器件的發(fā)展方向、對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體的展望以及相應(yīng)刻蝕技術(shù)的發(fā)展。
硅基氮化鎵一個(gè)正在走向成熟的顛覆性半導(dǎo)體技術(shù)
EpiGaN 首席營(yíng)銷官 Dr.MARKUSBehet 先生在題為《硅基氮化鎵一個(gè)正在走向成熟的顛覆性半導(dǎo)體技術(shù)》的演講中表示，與硅器件相比，由于氮化鎵的晶體具備更強(qiáng)的化學(xué)鍵，因此它可以承受比硅器件高出很多倍的電場(chǎng)而不會(huì)崩潰。這意味我們可以把晶體管的各個(gè)電端子之間的距離縮短十倍。這樣可以實(shí)現(xiàn)更低的電阻損耗，以及電子具備更短的轉(zhuǎn)換時(shí)間?？偟膩碚f，氮化鎵器件具備更快速的開關(guān)、更低的功率損耗及更低的成本優(yōu)勢(shì)。
由于氮化鎵技術(shù)在低功耗、小尺寸等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，近年來在功率器件市場(chǎng)大受歡迎。然而，其居高不下的成本使得氮化鎵技術(shù)的應(yīng)用受到很多限制。
但是隨著硅基氮化鎵技術(shù)的深入研究，我們逐漸發(fā)現(xiàn)了一條完全不同的道路，甚至可以說是顛覆性的半導(dǎo)體技術(shù)。這就是硅基氮化鎵技術(shù)。
硅襯底有一些優(yōu)勢(shì)，材料便宜，散熱系數(shù)好;難點(diǎn)就是有很高的缺陷密度，降低 LED 的光度。學(xué)術(shù)界希望把硅和氮化鎵整合在一起，但是有困難，主要困難是鎵與硅之間的大晶格失配。
現(xiàn)實(shí)中，硅基氮化鎵產(chǎn)品并不是一個(gè)全新的概念，事實(shí)上在大功率 LED 中，硅基氮化鎵的應(yīng)用很普遍。
用于高效電子電力半導(dǎo)體器件的 GaN 和 SiC 外延生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展
德國(guó)愛思強(qiáng)股份有限公司電力電子器件副總裁 Dr.FrankWischmeyer 先生在論壇上則強(qiáng)調(diào) Si 技術(shù)非常重要，愛思強(qiáng)已經(jīng)有很多項(xiàng)目對(duì) Si 技術(shù)進(jìn)行了深入的研發(fā)，并一直在持續(xù)推出新品。
可以說無論是在技術(shù)方面，還是在應(yīng)用方面，從電子器件的應(yīng)用，到網(wǎng)絡(luò)連接器件都是愛思強(qiáng)的擅長(zhǎng)的領(lǐng)域。
但是同時(shí)，愛思強(qiáng)也看到了 GaN 和 SiC 的優(yōu)勢(shì)，并一直在努力的備戰(zhàn)這些技術(shù)?！癎aN 和 SiC 在寬禁帶上應(yīng)用，有著非常好的優(yōu)勢(shì)，可以讓小尺寸的系統(tǒng)功率損失非常低?！盌r.FrankWischmeyer 先生表示。
具體而言，SiC 近年來在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，比如工業(yè)領(lǐng)域。對(duì)于 GAN 來說，可使用場(chǎng)景非常廣泛。SiC 產(chǎn)品在高功率市場(chǎng)中有著很好的應(yīng)用，例如 IGBT 這些產(chǎn)品都有著很好的使用，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷增長(zhǎng)中，其主要?jiǎng)恿碜云囆袠I(yè)
GaN 產(chǎn)品市場(chǎng)分類，基于 GaN 材料自身的特點(diǎn)，可以推出不同電壓的產(chǎn)品，可以說，隨著 GaN 的應(yīng)用逐漸推廣開來，GaN 將進(jìn)一步推動(dòng)市場(chǎng)的應(yīng)用和發(fā)展。
愛思強(qiáng)從很早的時(shí)候就開始布局 GaN 和 SiC 領(lǐng)域，從供應(yīng)商市場(chǎng)份額來看，愛思強(qiáng)有著非常大的市場(chǎng)占有率。目前，愛思強(qiáng)可以針對(duì)不同的需求提供不同產(chǎn)品和工具，方便用戶使用，并能夠保證產(chǎn)品的良率，進(jìn)行非常好的控制。
此外，針對(duì)在不同電壓情況下對(duì)于 SiC 外延情況的要求，愛思強(qiáng)都能夠提供很好的解決方案，并始終進(jìn)行著深入的研究。
對(duì)寬禁帶功率器件的期望
日產(chǎn)汽車的高級(jí)工程師 Masakatsu Hoshi 先生在論壇上則更多的強(qiáng)調(diào)寬禁帶功率器件對(duì)于我們改善我們的生活環(huán)境所起到的作用。他認(rèn)為，我們必須正視能源問題，這將會(huì)影響到我們未來的發(fā)展。
那么如何才能更好的解決能源問題呢？Masakatsu Hoshi 先生認(rèn)為我們需要兩個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)，其一是車輛智能化，其二是電氣化。在本次論壇上，主要是談到了電氣化這一技術(shù)，Masakatsu Hoshi 先生也結(jié)合自己在汽車方面的工作經(jīng)驗(yàn)詳細(xì)解釋了電動(dòng)汽車的一些問題。
Masakatsu Hoshi 先生指出，最早的電動(dòng)汽車大多以機(jī)械結(jié)構(gòu)為主，根本無法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，電子設(shè)備開始替代汽車內(nèi)的機(jī)械設(shè)備，使得整車的重量大大減少，并能夠很好的維持續(xù)航里程和功能的要求。
“近年來，我們發(fā)現(xiàn)，不同品牌的汽車都或多或少的開始涉足 EV 汽車領(lǐng)域，因?yàn)槭褂秒娏ζ嚹軌蛱峁└欤?，更安全的駕駛體驗(yàn)?，F(xiàn)在，我們甚至能夠遠(yuǎn)程控制汽車，遠(yuǎn)程調(diào)整我們汽車，更好的管理我們的汽車?！?Masakatsu Hoshi 先生如是說。
與傳統(tǒng)汽車，混動(dòng)汽車相比，純電動(dòng)汽車無論在加速時(shí)間還是在整體的使用體驗(yàn)方面都有著非常好的體驗(yàn)。無是在撞擊測(cè)試還是在涉水測(cè)試中，電動(dòng)汽車相對(duì)于傳統(tǒng)汽車而言，都有著非常好的使用體驗(yàn)。
那么寬禁帶功率器件在電動(dòng)汽車中又有什么作用呢？
第三代半導(dǎo)體中 SiC 單晶和 GaN 單晶脫穎而出，最有發(fā)展前景。寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V，未來有望全面取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體。SiC 功率器件應(yīng)用廣泛：可廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)車以及工業(yè)領(lǐng)域中的 PFC（功率因數(shù)校正器）、電源單元、UPS（不間斷電源）、DC/DC（直流轉(zhuǎn)直流）轉(zhuǎn)換器和逆變器等器件。
那么寬禁帶功率器件的未來是什么樣子的呢？Masakatsu Hoshi 先生認(rèn)為，小尺寸、低成本、高效率將是市場(chǎng)對(duì)于寬禁帶半導(dǎo)體的主要需求。
對(duì)于寬禁帶產(chǎn)品而言，物理屬性有著非常好的表現(xiàn)，尤其是 SiC 和 GaN 材料的器件，可以說 SiC 對(duì)于高功率的使用非常合適，GaN 則適合高頻率的使用。在汽車行業(yè)有著非常多的使用案例。
高密度 ICP 刻蝕機(jī)在新型功率器件中的應(yīng)用
作為北京北方華創(chuàng)微電子裝備有限公司，刻蝕事業(yè)部副總經(jīng)理的楊盟先生，則是從自身角度，分析了刻蝕機(jī)在新型功率器件中的應(yīng)用。
北方華創(chuàng)作為作為國(guó)內(nèi)一家以高端半導(dǎo)體工藝裝備和精密電子元器件為主營(yíng)業(yè)務(wù)的公司，有著廣泛的產(chǎn)品供應(yīng)客戶使用，致力于實(shí)現(xiàn)“高端裝備中國(guó)制造”的藍(lán)圖。
在楊盟先生看來，功率器件現(xiàn)在有著非常廣泛的應(yīng)用，其年復(fù)合增長(zhǎng)率在 17%左右，可以預(yù)見，有著非常廣闊的市場(chǎng)。現(xiàn)在已經(jīng)有越來越多的公司開始使用 GaN 材料來進(jìn)行功率器件的設(shè)計(jì)。
對(duì)于功率器件而言，結(jié)構(gòu)和工藝對(duì)于產(chǎn)品的性能都有著非常大的影響。凹槽設(shè)計(jì)更多使用，能夠很有效的提供整體的性能和效率 不同的設(shè)備有著不同的形狀，可以說，在不同的應(yīng)用中，器件會(huì)需要不同的刻蝕技術(shù)。對(duì)于生產(chǎn)過程有著很大的挑戰(zhàn)，如何能夠更有效率的進(jìn)行生產(chǎn)是北方華創(chuàng)一直思考的問題。
近年來，隨著全球能源需求的不斷增長(zhǎng)以及環(huán)境保護(hù)意識(shí)的逐步增強(qiáng)，高效、節(jié)能產(chǎn)品已逐漸成為半導(dǎo)體市場(chǎng)發(fā)展的新趨勢(shì)。MOSFET 是典型的適應(yīng)高效節(jié)能應(yīng)用需求的半導(dǎo)體功率器件，其技術(shù)發(fā)展迅速、性能持續(xù)提升，對(duì)制造工藝提出了越來越高的要求。
華功半導(dǎo)體 GAN 功率電子器件的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程
江蘇華功半導(dǎo)體有限公司技術(shù)副總裁劉揚(yáng)先生表示，傳統(tǒng)的功率器件都是使用 Si 材料。隨著技術(shù)的發(fā)展，很多新材料被采用，例如 SiC 和 GaN。
目前的半導(dǎo)體工藝技術(shù)絕大多數(shù)依賴于硅基底。硅工藝作為電子業(yè)的基礎(chǔ)已有幾十年，在此期間，雖然進(jìn)行高能效電源轉(zhuǎn)換的方法綽綽有余，但即將不足的時(shí)代正迅速逼近。摩爾定律越來越接近其物理極限，將來這一切可真的是預(yù)期的硅性能的不明顯的漸進(jìn)式改善。但是劉揚(yáng)先生認(rèn)為功率器件也是有摩爾定律的，每四年翻一番。
在劉揚(yáng)先生看來，2010 年是功率器件元年。無論是消費(fèi)電子產(chǎn)品、通訊硬件、電動(dòng)車還是家用電器，提升電源轉(zhuǎn)換能效、提高功率密度水平、延長(zhǎng)電池使用時(shí)間和加快開關(guān)速度這些日益嚴(yán)格的要求正擺在工程師面前。所有這一切都意味著電子產(chǎn)業(yè)定會(huì)變得越來越依賴于新型的功率半導(dǎo)體，采用不再以硅（Si）為基礎(chǔ)的新的工藝技術(shù)。
過去十年，GaN 已在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響，在光電方面它已對(duì)高亮發(fā)光二極管（HBLED）的發(fā)展和增殖發(fā)揮重要作用，在無線通訊方面它已被用于高功率射頻（RF）設(shè)備如高電子遷移率晶體管（HEMT）和單片微波集成電路（MMIC）?，F(xiàn)在在電源應(yīng)用中廣泛采用 GaN 有著巨大的潛力。
到 2020 年 GaN 功率器件業(yè)務(wù)每年當(dāng)值約 6 億美元。巨大的功率器件市場(chǎng)，吸引了非常多的半導(dǎo)體企業(yè)。
但是中國(guó)市場(chǎng)的現(xiàn)狀是什么樣子的呢？劉揚(yáng)先生指出，中國(guó)是功率器件消耗大國(guó)，占據(jù)全球消耗 2/3 以上，但是絕大多數(shù)高端元器件還依靠進(jìn)口。所以中國(guó)國(guó)內(nèi)的 GaN 功率器件產(chǎn)業(yè)還有待開發(fā)。
即便中國(guó)目前處在落后階段，但是中國(guó)有可能彎道超車。因?yàn)橹袊?guó)的照明產(chǎn)業(yè)有著非常好的發(fā)展基礎(chǔ)，而 GaN 材料平臺(tái)則是依托照明產(chǎn)業(yè)。
單片 MOCVD 技術(shù)發(fā)展推動(dòng)功率&微波電子器件的商業(yè)化
來自 Veeco 的市場(chǎng)銷售總監(jiān) Somit Joshi 先生則談到了 5G 的到來對(duì)于 GaN RF 器件未來發(fā)展的影響。
從 2G、3G 到 4G 時(shí)代，智能手機(jī)支持的制式越來越多，射頻前端走向集成化已成為必然。因?yàn)橹悄苁謾C(jī)對(duì) 2G、3G 和 4G 模式的支持，需要的射頻器件越來越多，即便集成化仍然很難控制智能手機(jī)的成本。這跟功能機(jī)時(shí)代不同，我們可以將成本做到很低，在全球市場(chǎng)都能夠保證低價(jià)。但如果到了 5G 時(shí)代，需要的器件越來越多，價(jià)格越來越高。
對(duì)于 5G 來說，GaN 將成為最適合 PA 的材料，尤其在 28GHz 以上的頻譜。因?yàn)楹撩撞ǖ墓β室蠓浅８?，GaN 擁有小體積、大功率的特性，通常應(yīng)用在雷達(dá)上面，未來將有可能應(yīng)用在 PA 芯片上。
雖然目前 GAN 的主要應(yīng)用在發(fā)電和供電領(lǐng)域，或者說是高頻率應(yīng)用市場(chǎng)，也就是開關(guān)的速度更快，這對(duì)于頻率來說這是很好的事情。
“我相信，隨著 5G 技術(shù)的到來，甚至 3G 技術(shù)都需要這種高頻率器件，GaN 是非常有市場(chǎng)的。”Somit Joshi 先生表示。
而 Veeco 則更多的是考慮如何為客戶提供更好的產(chǎn)品。Veeco 的工藝設(shè)備主要用于生產(chǎn)發(fā)光二極管 （LED）、電力電子器件、無線設(shè)備、微電子機(jī)械系統(tǒng) （MEMS）、硬盤和半導(dǎo)體。是 MOCVD、MBE、離子束蝕刻和其他高級(jí)薄膜工藝技術(shù)的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者。
用于下一代電源轉(zhuǎn)換的 GAN E-HEMT
來自 GaN Systems 的高級(jí)總監(jiān) Charles Bailley 則認(rèn)為 GaN 材料將會(huì)為下一代電源轉(zhuǎn)換解決方案提供很好的思路與未來的發(fā)展方向。
消費(fèi)電子、服務(wù)器，工業(yè)和汽車市場(chǎng)對(duì)于電源轉(zhuǎn)換的不同的需求。之前 LED 和無線應(yīng)用中的 GaN 讓人們看到了將這項(xiàng)技術(shù)用于電源應(yīng)用的希望。但是，要把 GaN 用在功率 FET 中曾經(jīng)需要重大的工藝和器件開發(fā)，而這些開發(fā)已經(jīng)延緩了相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展。此外，全新 FET 與之前使用的 Si 材料器件間的不同使得 IC 供應(yīng)商和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不得不小心前行，逐步解決設(shè)計(jì)難題。
基于 GaN 的開關(guān)功率晶體管可實(shí)現(xiàn)全新電源應(yīng)用，與之前使用的硅材料 （Si） 晶體管相比，在高壓下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，性能更高，損耗更低。GaN 的高頻操作特性可以在保持高效率的同時(shí)提高性能。
目前，電源設(shè)計(jì)人員正在重新思考他們?cè)O(shè)計(jì)的電路，試圖尋找能充分發(fā)揮全新 GaN 晶體管潛能又能避免負(fù)面影響的方法來創(chuàng)造電源系統(tǒng)。
全球人口數(shù)量的不斷增長(zhǎng)和快速發(fā)展，對(duì)電力的需求持續(xù)增加，與此同時(shí)，環(huán)境問題也需要我們?cè)谔岣吣茉词褂眯史矫孀龀龈笈?。隨著我們不斷地嘗試滿足這些需求，我們的家園將從這些創(chuàng)新中受益，幫助我們更高效地傳送、轉(zhuǎn)換和使用電力資源，而這些技術(shù)也將改進(jìn)和提升我們的生活品質(zhì)。
GaN 就是這樣一種創(chuàng)新，通過最大限度地降低電力轉(zhuǎn)換方面的功率損耗，它必將提高我們的能源使用效率。
來源：與非網(wǎng)
審核編輯 ：李倩
工商網(wǎng)監(jiān)
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