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氮化镓碳化硅技术真的能主导我们的生活方式

2018-04-17 20:07:48

全球有40%的能量作为电能被消耗了, 而电能转换最大耗散是半导体功率器件。我国作为世界能源消费大国, 如何在功率电子方面减小能源消耗成了一个关键的技术难题。

本文引用地址:  早在1893年诺贝尔奖获得者法国化学家亨利莫桑(Henri Moissan)在非洲发现了晶莹剔透的碳化硅(SiC)单晶碎片。由于SiC是硬度仅次于金刚石的超硬材料,SiC单晶和多晶材料作为磨料和刀具材料广泛应用于机械加工行业。作为半导体材料应用,相对于Si,SiC具有10倍的电场强度,高3倍的热导率,宽3倍禁带宽度,高一倍的饱和迁移速度。

简单来说,SiC半导体材料在三个方面被认为具有很大的市场潜力: SiC同质外延用于高电压大功率电力电子器件;高阻SiC基体材料用于生长GaN HEMT射频器件;在SiC基体材料上生长GaN LED高亮度LED外延。

从80年代开始以美国CREE公司为代表的国际企业就开始专注于半导体应用的SiC材料商用化的开发。2000年起英飞凌首先开发出600V SiC肖特基二极管(SBD)与其COOLMOS配套使用与通讯电源的PFC应用拉开了SiC电力电子器件市场化的幕布。随后CREE,ST,罗姆等企业也纷纷推出了SBD的全系列产品。从2014年开始CREE,罗姆,GE开始在市场上推广MOSFET器件。

氮化镓(GaN)因为缺乏合适的单晶衬底材料,基本上是在蓝宝石,SiC或者Si的基板材料上采用MOCVD或者MBE等外延技术生长出基本的器件结构,由于是异质外延,因此材料缺陷比较多,位错密度比较大,在上世纪90年代以前发展缓慢。进入90年代以后,日本在LED应用技术上取得了巨大的进展,特别是在中国大陆在过去10多年LED市场的高速发展,带动了GaN材料产业的产业化进程。

由于CREE在电力电子用碳化硅材料和器件的垄断地位迫使很多功率企业采取GaN技术路线作为下一代功率半导体器件的发展方向。为了降低成本,基本上采用Si衬底上生长GaN外延并采用成熟的CMOS兼容工艺制备器件。近年来GaN的单晶基体材料也有了突破进展,已经能够生长出2英寸外延。美国曾经有一家企业AVOGY曾经试图采用GaN同质外延生产PIN功率二极管和其他开关管,但是由于材料成本昂贵,并不成功。目前GaN单晶材料主要还是用于光电器件,比如激光器和太赫兹等领域。

SiC和GaN电力电子器件由于本身的材料特性,各自都有各自的优点和不成熟处,因此在应用方面有区别

氮化镓碳化硅技术真的能主导我们的生活方式

。一般的业界共识是:SiC适合高于1200V的高电压大功率应用;GaN器件更适合于V的高频应用。在600V和1200V器件应用领域,SiC和GaN形成竞争。

如果说在电力电子器件方面,SiC和GaN存在着竞争,那么在射频器件和射频IC方面,SiC和GaN是完美的一对儿,基本材料结构是在高阻(高纯度)的SiC基体上生长GaN外延。图一这张表比较了SiC, GaN和Si作为半导体材料应用的特征参数。

▲图一、SiC, GaN和Si作为半导体材料应用的特征参数的比较

最近接连有消息报道,在美国和欧洲,氮化镓和碳化硅技术除了在军用雷达领域和航天工程领域得到了应用,在电力电子器件市场也有越来越广泛的渗透。氮化镓/碳化硅技术与传统的硅技术相比,有哪些独特优势?

大家最近都在谈论摩尔定律什么时候终结?硅作为半导体的主要材料在摩尔定律的规律下已经走过了50多年,寻找新的半导体材料替代硅已经成了近些年半导体发展的方向之一。

在整个功率器件的发展过程中,第一个可控硅在1970年问世。随着时间和技术的推移,功率密度要求逐渐提升,后面经历了晶体管向MOSFET的演变,到上世纪90年代末出现了IGBT。半导体技术的不断进步,不仅提高了产品性能,同时通过缩小芯片面积降低了成本。然而到2000年的时候业界就提出硅基产品已经快达到物理极限,进一步提高产品性能,工艺的复杂性带来的成本升高不能抵扣芯片面积的缩小,从而芯片成本提高。

未来如何突破Si材料的极限?人们把目光瞄向了以氮化镓和碳化硅为代表的宽禁带半导体材料,这种新材料可以满足提高开关频率和增加功率密度的要求。

下图比较了SiC,GaN和Si材料FOM的极限。

▲图二、SiC,GaN和Si材料FOM的极限

从具体材料来看,SIC器件的结构与传统的Si器件结构非常类似。可以说SiC器件就是利用其材料临界电场高,高载流子迁移率的特点,采用非常薄的外延就可以承受更高耐压,比如600V器件,可以用9um外延即可,而Si器件需要50um左右外延,这就大大降低了导通压降或导通电阻。

GaN器件有所不同。目前业界通常是采用MOCVD生长AlGaN/GaN异质结外延,由于材料的压电和自身极化效应,在异质结界面产生高密度二维电子气,形成开关管的沟道。因此器件是个平面器件,除了在器件FOM比Si器件更具有优势之外,还很容易与其他器件集成制备IC器件。比如最近Navitas和Dialog都实现了驱动IC和GaN开关管单芯片集成,大幅降低了用户使用的技术门槛。

除了军方市场,我们可能更感兴趣氮化镓/碳化硅技术能给我们带来哪些新兴市场机会,比如工业制造4.0、新能源汽车、智慧家庭、移动通讯以及健康医疗等,有哪些市场热点和切入点?

从技术上来看,碳化硅和氮化镓器件突破了Si基器件的物理极限,为新型的电源拓扑结构提供了更大的拓展空间。但从能量效率的提高上来看,SiC和GaN器件相对于Si器件并不能够提高更多。但是采用使氮化镓/碳化硅技术后,可以把工作频率从100KHZ提高到兆赫兹,可以大幅缩小电源尺寸,提高功率密度。这符合了电子产品短小轻薄的发展趋势。比如,超薄电视,显示方案完全可以把电视做的更薄,但是受到电源尺寸的限制,如果采用SiC或者GaN器件,就可以大幅减小电源尺寸打破这种制约。

另外一个值得关注的领域是无线充的应用。消费类电子市场的渗透,可以扩大GaN和SiC器件的出货量,从而进一步降低器件的价格,形成了市场和技术的良性循环。而且消费类电子的可靠性要求相对没有工业级和汽车级电子高,器件产品可以更快的进入市场,创业型的设计公司可以在短时间内形成销售,满足投资人的期待。所以消费类电子的电源方案是SiC和GaN器件的非常合适的切入点。

在工业级电子上,采用第三代半导体器件实现电源的高频应用,可以简化电源方案,提高能量转化效率,值得关注的应用包括通讯电源,光伏逆变器和新能源汽车充电桩和无线充电方案。工业级器件可靠性评估时间长,更适合一些上市公司和国企作为一个中期的目标产品。

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