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在经过了多年的研发阶段之后，几家供应商正在推出基于下一代宽带隙技术的功率半导体产品。这些器件利用了新材料的特性，例如氮化铝、金刚石和氧化镓。同时它们也被用于不同的器件架构，例如垂直氮化镓功率器件。但是，尽管这些技术中拥有远超当今功率半导体器件的特性，要将它们从实验室中应用到晶圆厂也将是一个充满挑战的过程。

功率半导体通常是专用的晶体管，在汽车、电源、太阳能以及火车等高压应用中作为开关。这些器件通过“开”和“关”的状态来控制电流的流动。它们能够提高效率并最大限度地减少系统中的能量损失。

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。硅基功率器件成熟且价格低廉，不过它们目前也正在接近其理论的极限。这就是为什么人们对使用宽带隙材料的器件产生浓厚兴趣的原因，这种材料能够提供超越当今硅基器件的性能。多年来，供应商一直提供两种宽带隙半导体：氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)器件。上述两种器件比硅基器件更快、更高效。

几家供应商也一直在研发下一代宽带隙半导体技术，例如氮化铝、金刚石和氧化镓，它们都具有比GaN和SiC更大的能带，这也意味着它们能够在系统中承受更高的电压。例如当前一些供应商正在供应使用氮化铝的专用LED。其他一些供应商则计划在2022年开始推出围绕新材料制造的新的功率器件。不过所有的这些技术和材料都有各自的缺点以及制造上的问题。即使它们投入生产，这些器件也不会取代今天的功率半导体(无论是硅、GaN还是SiC)。

“它们能够提供令人难以置信的高性能，但在晶圆尺寸方面非常受限。”Lam Research的战略营销总经理David Haynes说。“它们在很大程度上更具学术性而不是商业性，但随着技术的进步，这种情况正在发生变化。不过衬底尺寸小并且与主流半导体制造技术缺乏兼容性则意味着它们可能只会用于极高性能器件的小批量生产，尤其是智能电网基础设施、可再生能源以及铁路等要求严苛的应用场景。”尽管如此，工业界在宽带隙半导体技术方面依然非常的活跃：

NexGen、Odyssy Semiconductor以及其他公司正在准备推出第一个垂直GaN器件Novel Crystal Technology(NCT)将推出使用氧化镓的功率器件。Kyma和NCT也正在研发有关的衬底基于金刚石和氮化铝的产品已经面向市场发货

图1.不同的材料及其带隙。图片来源：Semiconductor Engineering

02

什么是功率半导体？

功率半导体在电力电子设备中用于控制和转换系统中的电力。在大多数的领域都能找到它们的身影，例如汽车、手机、电源、太阳能逆变器、火车以及风力涡轮机等。

功率半导体有多种类型，每一种都用带有“V”或者电压的数字表示，“V”是指器件中允许的最大工作电压。

当今的功率半导体市场由基于硅的器件主导，其中包括功率MOSFET、super-junction功率MOSFET以及绝缘栅双极晶体管(insulated-gate bipolar transistors, IGBTs)。

功率MOSFET主要用于低压、10至500伏的应用场景，例如适配器和电源。super-junction功率MOSFET用于500到900伏的应用。领先的中档功率半导体器件IGBT则用于1.2千伏至6.6千伏应用，尤其是汽车领域。英飞凌的销售高级副总裁Shawn Slusser表示：“IGBT功率模组基本上正在取代汽车中的燃油喷射器。它们负责从电池向电机供电。”

IGBT和MOSFET被广泛应用于各种领域，但是它们也达到了极限。这就是宽带隙半导体出现的原因。“带隙是指半导体中价带顶部和导带底部之间的能量差异。更大的带隙意味着半导体功率器件能够在更高的电压、温度和频率下运行。”

硅基器件的带隙为1.1eV(电子伏特)。相比之下，SiC的带隙为3.2eV，而GaN的带隙为3.4eV。与硅相比，这两种材料的器件都具有更高的效率和更小的外形尺寸，但是它们价格也更昂贵。

每种器件的类型也各不相同，例如有两种SiC器件：SiC MOSFET以及二极管。SiC MOSFET是功率开关晶体管，而二极管则是在一个方向上对电流通路，在另一个方向上对电流断路。

针对600伏到10千伏的应用，SiC功率器件采用了垂直结构。源极和栅极在器件的顶部，而漏极在底部。当施加正栅极电压时，电流在源极和漏极之间流动。

SiC目前主要是150mm晶圆厂中生产。在过去的几年内，SiC功率半导体已经进入了批量生产。Onto Innovation的营销总监Paul Knutrud表示：“SiC具有高击穿场强、热导率以及高效率，因此非常适合电动汽车功率转换芯片。”

图2.当今功率开关的分类。图片来源：英飞凌

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垂直GaN的开发

目前许多供应商正在开发基于下一代材料和结构的产品，例如氮化铝、金刚石以及垂直GaN。

经过多年的研发，垂直GaN器件极具吸引力。GaN是一种二元三五族(III-V)材料，主要用于生产LED、功率开关晶体管以及射频器件。GaN的击穿场是硅的10倍。高功率和高的开关速度是GaN的主要优势。

如今基于高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistors, HEMTs)的GaN功率开关器件在150mm晶圆厂中生产。已经量产的GaN器件是横向结构。源极、栅极和漏极位于结构的顶部。(光之谷-制造前沿(十六))

一些公司正在尝试在200mm晶圆厂生产GaN器件。Lam的Haynes表示：“对于GaN来说，200mm晶圆能够对GaN-on-Silicon技术性能带来极大的改进，在未来我们将朝着300mm的方向前进。”

如今的GaN器件使用硅或者SiC作为衬底。衬底顶部是一层薄薄的氮化铝(AlN)，然后是AlGaN缓冲层，接着是GaN。最后在GaN的顶部会沉积薄的AlGaN势垒层(barrier layer)作为应变层。

现在有许多公司都加入到了GaN功率半导体市场。今天横向GaN功率器件的工作电压为15到900伏，在这个范围之外应用这些器件依然存在不小的挑战。

一方面，不同的沉积层之间存在晶格失配。当在不同的衬底上生长GaN时，会因为两种晶格之间的失配产生大量的缺陷。缺陷过多则会导致过早击穿以及可靠性下降等问题。目前业界正在针对这类问题的解决方案进行研发。但是横向GaN目前停留在1千伏以下的应用场景。这也是垂直GaN结构出现的原因。该器件能够在1.2千伏及以上的电压下工作。

与其他功率半导体器件一样，垂直GaN器件的顶部有一个源极和栅极，底部有一个漏极。此外，垂直GaN器件使用GaN作为衬底。据Odyssey声称，GaN衬底能够大幅降低垂直传导的GaN晶体管中的缺陷数量。“纵观硅基高压器件以及SiC高压器件，它们均是垂直结构的。出于多种原因，它们都是高压设备的首选结构。它占用的面积更小，从而降低了电容，并且将高压端置于晶圆的另一侧而不是栅极的终端也有安全因素的考量。”

图3.横向GaN器件结构。图片来源：Odyssey Semiconductor

图4. 垂直GaN器件结构。图片来源：Odyssey Semiconductor

现今Kyma、NexGen、Odyssey、Sandia及其他公司都在研发垂直GaN器件。Kyma和Odyssey正在增加100mm(4英寸)bulk GaN衬底的使用。

Kyma的CTO Jacob Leach表示：“垂直GaN即将面市，我们正在向研究人员和一些实验室出售此类产品。该行业在外延片的制造方面出现了一系列的问题。但是我们有不同的技术，能够以低廉的制造成本制造垂直GaN所需的薄膜。”

GaN衬底已经准备就绪，但是垂直GaN器件本身开发难度颇高。例如制造这些器件含有一个离子注入的步骤，即在器件中注入掺杂剂。“人们尚未完全采用垂直GaN器件结构的唯一原因就是没有找到一种很好的方法来进行掺杂。但是Odyssey已经找到了好的解决方案。”Odyssey的Brown说到。

Odyssey正在自己的4英寸晶圆厂中开发垂直GaN功率开关器件。其计划2022年初发货。其他公司也计划同一时期出售相同产品。

“我们已经能够生产垂直GaN器件并且其pn结已经通过了验证。我们的第一个产品将能够在1200伏电压强度下工作，实际工作范围可能在1200到1500伏之间。但是我们制定的路线图将会一直延伸到1万伏。由于电容及其他一些问题，我们预计SiC将很难达到上述目标。”Odyssey的CEO Alex Behfar说。“近期我们希望能够为工业电机及太阳能领域提供器件。我们也希望能够和电动汽车商合作，帮助他们进一步提高车辆的续航能力。该器件(垂直GaN)能够减轻系统的重量并且拥有更优异的性能。从长远来看，我们希望能够实现移动充电(on-the-go charging)等应用。”

随着垂直GaN器件的兴起，其并不会取代如今的横向GaN或者SiC功率半导体器件，也不会取代硅基功率器件。但如果该技术能够克服一些问题，那么垂直GaN器件将会在市场上占有一席之地。

联电技术开发高级总监Seanchy Chiu表示：“bulk GaN衬底上的GaN垂直器件能够为下一代电力电子设备注入一剂强心针，不过这项技术依然有许多问题有待解决。基于物理学上的考量，相比于横向结构，垂直功率器件能够驱动更高的功率输出。但是bulk GaN衬底依然价格高昂，而且晶圆的尺寸仅限于4英寸。纯代工厂目前正在使用6英寸甚至8英寸的制造工艺来生产更具有竞争力的功率器件。由于其载流子垂直方向传输，必须控制好衬底晶体的质量并尽量减少缺陷。”

当然还有其他的问题。例如GaN衬底比SiC衬底更贵，而GaN中垂直方向的电子传导率仅与SiC持平。与SiC相比，GaN中电子在横向的迁移率要高出了3倍。此外，SiC具有更好的热传导效率(3倍于GaN)。这些都给垂直GaN器件的前景带来了一丝阴云。

04

氧化镓半导体当然业界也有不少公司，政府机构以及科研院所正在研发β氧化镓(β-Ga2O3)，这是一种非常有前途的超宽带隙材料。其带隙为4.8至4.9eV，比硅、SiC以及GaN都要大。同时氧化镓还具有8MV/cm的高击穿场和良好的电子迁移率。不过氧化镓也有一些缺点，这也是为什么基于氧化镓的器件目前仍处于研发阶段尚未商业化的原因。尽管如此，长久以来，供应商也一直在销售基于该技术的晶圆，主要用于研发目的。此外，业界正在研究基于氧化镓的半导体功率器件，例如肖特基势垒二极管以及晶体管。其他的应用还有深紫外光电探测器。Flosifa、Kyma、Northrop Grumman Synoptics、NCT以及其他公司正在对氧化镓进行研究。美国空军、能源部以及几所大学也对此有着浓厚的兴趣。Kyma已经开发出直径为1英寸的氧化镓晶片，而NCT正在出货2英寸的晶片。NCT最近开发了使用熔体生长法(melt growth)长成的4英寸氧化镓外延晶片。“氧化镓在过去的几年中取得了很大的进展。这主要是因为我们能够生长高质量的衬底。有了高质量的衬底，人们就能够通过标准的直拉法(Czochralski，又称CZ法)或者其他类型的液相生长技术(VGF，垂直梯度生长?)来生长氧化镓晶锭”。液相生长技术是半导体工业常用的晶体生长方法。目前最大的挑战是如何制造基于该技术的功率器件。“氧化镓目前主要有两个问题，一是现在还没有真正的p型掺杂的方法。我们能够制造p型薄膜，但是依然不会获得任何空穴导电性，因此制造双极器件是不可行的。不过我们依然能够制造单极器件。人们正在研究二极管以及氧化镓中的HEMT型结构。当然也有人会说，如果不能够获得p型，那就忘记氧化镓吧。第二个问题是导热性。氧化镓的热导率非常低，对于高功率类型的应用场景来说这将是一个大问题。如今人们正在进行一些工程化的工作，例如将氧化镓和SiC或者金刚石相结合，以提高热性能。”无论如何，行业内依然在研究氧化镓器件。第一个采用氧化镓的功率器件将是肖特基势垒二极管(SBD)。NCT公司正在开发基于氧化镓的SBD产品，目标是在2022年出货。NCT同时还在开发基于氧化镓的高压垂直晶体管。在其工艺中，该公司开发了氧化镓衬底。然后在衬底上进一步外延生长氧化镓薄晶片。该外延层的厚度范围从5微米到10微米不等。通过采用低施主浓度和40微米厚的外延层作为漂移层，NCT能够实现4.2kV的击穿电压。该公司计划在2025年开始生产600至1200伏的氧化镓晶体管。事实上，NCT已经克服了氧化镓的一些问题。例如热导性方面，NCT已经能够通过使元件像其他半导体一样更薄来获得可在实际应用中被接受的热阻。因此热导性已经不会是一个主要的问题了。同时NCT也正在开发两种p型解决方案。一种是制造p型氧化镓，另外一种则是使用氧化镍和氧化铜等氧化物半导体材料作为p型。展望未来，该公司希望通过在更大的衬底上开发器件来降低成本。当然减少晶片中的缺陷也是另外一个努力的方向。

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金刚石、氮化铝材料业界目前认为的可能是终极的器件材料为钻石(金刚石)。金刚石具有5.5eV的宽带隙，20MV/cm的高击穿场以及24W/cm K的高热导率。金刚石是碳的亚稳态同素异形体。在电子应用方面，业内主要通过沉积工艺生长合成的金刚石。在研发领域，公司和大学多年来一直在研究基于其的场效应晶体管，但目前尚不清楚这些研究工作是否能够从实验室转移到工业应用上。AKHAN Semiconductor已经开发出了金刚石衬底和镀膜玻璃。器件方面的开发还处于研究阶段。“AKHAN已经实现了300mm金刚石晶圆的制造，能够支持更先进的芯片需求。”AKHAN的创始人Adam Khan说。“在高功率应用中，金刚石FET的性能优于其他宽带隙材料。”虽然AKHAN给大家画了一张大饼，但是围绕客户期望的器件进行制造需要大量的研究以及开发技能和时间。事实上，金刚石相关技术也有多种灵活的应用。例如大阪市立大学展示了在金刚石衬底上生长GaN的技术。氮化铝(AlN)也让人感兴趣。其是一种化合物半导体，带隙为6.1eV。据AlN衬底供应商HexaTech称，AlN的击穿场强度接近15MV/cm，是已知的半导体材料中最高的。Stanley Electric的子公司HexaTech的业务发展副总裁Gregory Mills表示：“AlN适用于波段边缘低至约205nm的极短波长、深紫外光电子器件。”除了金刚石之外，AlN在这些宽带隙材料中具有最高的热导率，可实现卓越的高功率和高频器件性能。AlN还具有独特的压电能力，可用于多种传感器和射频应用。目前有几家供应商能够提供直径为1英寸和2英寸的AlN晶片并且AlN已经开始受到关注。Stanley Electric和其他公司正在使用AlN晶片生产紫外线LED(UV LED)。这些LED专门用于消毒和净化方面。据HexaTech称，200nm到280nm之间的波长能够杀死病原体。“正如我们所说的，基于单晶AlN衬底的器件正在从研发逐步过渡到商业应用，当然这也取决于应用的领域。”Mills表示。“对于UV-C LED，由于它们具有杀菌和灭活病原体的能力(包括SARS-CoV2病毒)，目前对于它们的需求激增。”多年前HexaTech获得了美国能源部颁发的基于AlN功率半导体开发的奖项。在这方面有几个挑战，首先衬底很昂贵。其次，Lam的Kyma表示：“我不知道氮化铝在功率器件方面能有多大的意义，毕竟它在n型和p型掺杂方面都问题多多。”

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不论如何，基于各种下一代材料和结构的器件正在不断取得进展。人们能够看到他们很多令人印象深刻的性能，当然他们也必须克服许多的问题。EPC的Lidow表示：“这意味着将需要大量的资本投入才能使它们得以量产。这些材料带来的性能提升以及市场的可用规模都是对资本投资正确性的最好证明。”