|
半导体是一种介于导体与绝缘体之间的材料，它具有导电性可控的特点。当半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化，在纯净半导体中加入微量杂质，其导电能力会急剧增强。自科学家法拉第发现硫化银以来，半导体材料硅、锗、硼、锑、碳化硅和氮化镓等相继被发现与应用。 我们生活的方方面面都离不开半导体技术，电器、灯光、手机、电脑、电子设备等都需要半导体材料制造，碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN）属于第三代半导体材料，有着非常广阔的应用前景。 碳化硅与氮化镓的相同之处 碳化硅与氮化镓均属于宽禁带半导体材料，它们具有禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好的特点。随着市场对半导体器件微型化、导热性的高要求，这类材料的市场需求暴涨，适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。 碳化硅与氮化镓的优点与不足 碳化硅又叫金刚砂，是用石英砂、石油焦、木屑等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物——莫桑石，在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种。目前我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体。
氮化镓是氮和镓的化合物，是一种直接能隙的半导体，该化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电元件中，如氮化镓可以用在紫光的激光二极管，可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器的条件下，产生紫光激光。 碳化硅与氮化镓的应用领域和难点 碳化硅是当前发展最成熟的宽禁带半导体材料，世界各国对碳化硅的研究很重视，美欧日等不仅从国家层面上制定了相应的研究规划。 碳化硅因具有很大的硬度而成为一种重要的磨料，但其应用范围却超过一般的磨料。例如，它所具有的耐高温性、导热性而成为隧道窑或梭式窑的首选窑具材料之一，它所具有的导电性使其成为一种重要的电加热元件等。除此之外，碳化硅材料还可应用于功能陶瓷、耐火材料、冶金原料等应用领域。 碳化硅器件的发展难题不是设计难题，而是实现芯片结构的制作工艺，如碳化硅晶片的微管缺陷密度、外延工艺效率低、掺杂工艺的特殊要求、配套材料的耐温等。碳化硅生产的另一个问题是环保，由于碳化硅在冶炼过程中会产生一氧化碳、二氧化硫等有害气体，同时粉尘颗粒如果处理不当，污染非常严重。 氮化镓是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，在光电子、激光器、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。 氮化镓材料的发展难题有三个，一是如何获得高质量、大尺寸的GaN籽晶，因为直接采用氨热方法培育一个两英寸的籽晶需要几年时间；二是对于氮化镓材料，长期以来由于衬底单晶没有解决，异质外延缺陷密度相当高，因为氮化镓极性太大，难以通过高掺杂来获得较好的金属-半导体的欧姆接触，工艺制造较复杂；三是氮化镓产业链尚未完全形成。 碳化硅与氮化镓的制造工艺
由于天然含量甚少，碳化硅主要多为人造，常见的方法是将石英砂与焦炭混合，利用其中的二氧化硅和石油焦，加入食盐和木屑，置入电炉中，加热到2000°C左右高温，经过各种化学工艺流程后得到碳化硅微粉。 法国和瑞士科学家首次使用氮化镓在(100)-硅(晶体取向为100)基座上，成功制造出了性能优异的高电子迁徙率晶体管(HEMTs)。据OFweek电子工程网获悉，珠海一家公司拥有8英寸硅基氮化镓量产生产线，这是中国首条实现量产的8英寸硅基氮化镓生产线。当前氮化镓的工艺制造难题是薄膜冷却时受热错配应力的驱动下，容易发生破裂或翘曲，成为硅基氮化镓大英寸化的主要障碍。 碳化硅与氮化镓或将成半导体市场主流 随着国家对第三代半导体材料的重视，近年来，我国半导体材料市场发展迅速。其中以碳化硅与氮化镓为主的材料备受关注。碳化硅与氮化镓很多相同的地方，比如均有着好的前景，材料特性优于第一第二代半导体材料等。两者特性的不同造就了其不同的应用领域，未来，碳化硅与氮化镓将发挥各自的优势，相辅相成，一起撑起半导体应用的天空。 尽管如此，但碳化硅与氮化镓的产业难题仍待解决，如我国材料的制造工艺和质量并未达到世界顶级，材料制造设备依赖于进口严重，碳化硅与氮化镓材料和器件方面产业链尚未形成等，这些问题需逐步解决，方可让国产半导体材料屹立于世界顶尖行列。（粉体网编辑整理/橙子） -------------------------------------------------------------------------------------- 碳化硅是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料，它与氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）、氧化镓（Ga2O3）等，因禁带宽度大于2.2eV统称为宽禁带半导体材料，在国内也称为第三代半导体材料。 目前，以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体材料及相关器件芯片已成为全球高技术领域竞争战略制高争夺点。而对于碳化硅和氮化镓这两种芯片，如果想最大程度利用其材料本身的特性，较为理想的方案便是在碳化硅单晶衬底上生长外延层。 在碳化硅上长同质外延很好理解，凭借着禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子漂移速度高、热导率大等优势，碳化硅特别适于制造耐高温、耐高压，耐大电流的高频大功率的器件，因此在电动汽车、电源、军工、航天等领域很被看好。 那氮化镓外延层为啥也要在碳化硅单晶衬底上长呢？ 理论上讲，氮化镓外延层最好当然用本身氮化镓的单晶衬底，不过在之前的文章中也有提到，氮化镓的单晶实在是太难做了点，不仅反应过程难以控制、长得特别慢，而且面积较小、价格昂贵，商业化很是困难。 而碳化硅和氮化镓有着超过95%的晶格适配度，性能指标远超其他衬底材料（如蓝宝石、硅、砷化镓等），因此碳化硅基氮化镓外延片成为最佳选择。 话虽如此，但也有公司一直致力于氮化镓单晶衬底的研发与生产，如苏州纳维科技有限公司就是国际上少数几家之一能够批量提供2英寸氮化镓单晶产品的单位，而且已完成4英寸产品的工程化技术开发，还突破了6英寸的关键技术。 综上所述，很容易理解为何碳化硅在业内会有“黄金赛道”这样的美称。对于碳化硅器件而言，其价值链可分为衬底—外延—晶圆—器件，其中衬底所占的成本最高为50%——主要原因单晶生长缓慢且品质不够稳定，这也是早年时SiC没能得到广泛的推广的主要原因。 -------------------------------------------------------------------------------------------不久前，人们认为SiC和GaN器件的应用相当困难。但2018年，这些技术的优势开始应用到现实生活中(比如采用SiC MOSFET的Tesla Model3主逆变器)。这项新技术成功的原因是什么? SiC和GaN被称为“宽带隙半导体”(WBG)，因为将这些材料的电子从价带扩散到导带需要能量: 其中硅(Silicon)所需能量为1.1eV，氮化硅(SiC)则需3.3eV，氮化镓(GaN)则需3.4eV. 这就带来了更高的击穿电压，在某些应用中可高到1200-1700V。通过合适的生产工艺，WBG展现出以下优点：
传统的电力电子设备使用的各类器件都可以用WBG器件代替。而传统的硅器件在许多应用领域都达到了极限。显然，WBG技术是未来电力电子的根基，将为各种领域的创新应用奠定基础。 SiC和GaN的区别 不同的应用所需的功率和频率性能不同，无论硅器件还是新型WBG器件，每种类型的器件都有其用武之地。 尽管在概念层面上有相似之处，但SiC和GaN器件彼此不可互换，二者因系统的工作要求和使用参数不同而有很大差别。 尤其需要指出，SiC器件能承受更高的电压，高达1200伏及以上，而GaN器件则能承受的电压和功率密度要低一些;另一方面，由于GaN器件的关断时间几乎为零(由于具有高电子迁移率，其dV/dt电压大于100V/s，而MOSFET硅器件仅50V/s)，特别适用于非常高频的应用，可达到极高的能效和性能。但这些理想的特性也会给应用带来麻烦：如果器件的寄生电容不接近于零，就会产生数十安培的电流尖峰，而在电磁兼容测试阶段出现问题。 由于可以采用TO-247和 TO-220封装，SiC能够在封装方面发挥更多优势，因为这两种封装可以让新的SiC器件快速替换IGBT和MOSFET器件。而采用SMD封装(更轻、更小但还比较新)的GaN则能提供更优性能。 另一方面，这两种器件面临的共同挑战都与栅极驱动器的设计与构造有关。栅极驱动器应当能够充分利用特定的分量特征，同时又要关注寄生分量(必须最小化以避免性能降低)和适当的电压水平(希望类似于驱动传统硅器件的电压水平)。 就成本而言，SiC器件现在更便宜，也更普及，因为它们是在GaN之前出现的。然而，不难想象，成本一方面与生产工艺有关，同时也跟市场需求有关，因此市场价格会趋于平稳。 由于GaN衬底的生产成本较高，因此采用GaN“通道”的器件都以硅为衬底。最近，瑞典林克平大学(University of Linkóping)与其剥离公司SweGaN合作进行了一些研究，按照SiC衬底和新的晶圆生长工艺(称为跨晶异质外延，可防止出现结构缺陷)的想法，获得了可与SiC器件相媲美的最大电压，但工作频率可以达到硅基GaN的水平。这项研究还表明，采用这一机制能够改善热管理、获得3kV以上的垂直击穿电压，以及比目前解决方案小一个数量级的通态阻抗等性能。 应用和市场 WBG器件的应用领域仍然是一个小众市场，研发人员仍然需要更好地了解如何最大限度地发挥其潜力。其最大的新技术市场是二极管市场，但WBG预计将在未来5年内充斥晶体管市场。 潜在应用已在酝酿之中。据预测，电动车、电信网络和消费电子市场是最合适的目标市场。 根据销售预测，最有利可图的市场将是涉及电动车和自动驾驶汽车的市场，其中WBG器件将用于逆变器、车载充电设备(OBC)和防撞系统(LiDAR)。鉴于这类器件的热特性和能率，可以很好地满足蓄能器性能优化的要求，人们自然会作出这种预测。 在电信方面，5G将成为WBG的驱动力。待安装的数百万个基站将需要更高的能效，并且尺寸将变得更小巧轻便，以显著提高性能并降低成本。 消费电子市场也将大量采用这类新型器件。移动设备的日益普及和快速充电需求将驱动无线供电和充电设备对新型器件的需求。 SiC和GaN器件 英飞凌已经开发了一系列的SiC和GaN MOSFET器件及其CoolSiC和CoolGaN系列驱动器。值得注意的是，其FF6MR12W2M1_B11半桥式模块它能够在1200伏的电压下输出高达200安培的电流，而其RDS(on)阻抗仅为6 mΩ。该模块配备了两个SiC MOSFET和一个NTC温度传感器，适用于UPS和电机控制应用，可以改善能效和散热。 Microsemi的产品线中也有一个类似的解决方案，即相脚SiC MOSFET模块。该模块采用了SP6LI系列器件，能够承受高达1700V的电压和大于200A的电流;AlN衬底可确保更好的热管理，两个SiC肖特基二极管可以提升开关频率。 Wolfspeed公司也在紧追市场，其CAB450M12XM3半桥式器件可以控制高达1200V的电压和450A的电流，得益于其第三代MOSFETs和SiN衬底的结合，使其能够在175°C的连续模式下工作。 当我们细看GaN市场时，显然可用的器件种类是有限的。GanSystem产品目录中的GS-065-150-1-D是一款采用Island专利技术的晶体管，能够在超过10MHz的开关频率下控制高达650V的电压和150A的电流。 最后，继宣布推出TP90H050WS场效应管后(将于2020年中期上市)，Transphorm公司开始致力于采用TO-247封装的GaN器件的开发，其工作电压高达900V，上升和下降时间约为10nS。 还有什么值得期待? 或许人们还需要等待一段时间才能感受到WBG器件的惊人潜力，但其应用场景正在演变，制造商亦开始提供可靠的解决方案。可以确信的是：WBG器件作为一种新型工具解决了功率器件设计师在这个以“效率”为口号的时代所面临的问题，这将直接给市场带来巨大冲击。 不过如今随着技术缺陷不断得到补足，碳化硅单晶衬底的成本正不断下降，可预期未来绝对会是“钱”景无限。 |
|
|
