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聚焦“宽禁带”半导体——SiC与GaN的兴起与未来

—— 聚焦“宽禁带”半导体 —— SiC与GaN的兴起与未来
作者:陈玲丽时间:2020-06-05来源:电子产品世界收藏

硅(Si)作为集成电路最基础的材料,构筑了整个信息产业的最底层支撑。然而随着硅与化合物材料(GaAs、GaP、InP等)在光电子、电力电子和射频微波等领域器件性能的提升面临瓶颈,不足以全面支撑新一代信息技术的可持续发展,难以应对能源与环境面临的严峻挑战,业界迫切需要新一代材料技术的发展与支撑。

本文引用地址:http://www.dzszp.com/article/202006/413906.htm

以其恰好弥补硅的不足而逐步受到半导体行业青睐,成为继硅之后最有前景的半导体材料。随着5G、汽车等新市场出现,/不可替代的优势使得相关产品的研发与应用加速;随着制备技术的进步,器件与模块在成本上已经可以纳入备选方案内,需求拉动叠加成本降低, /的时代即将迎来。

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半导体禁带宽度的意义

对于包括半导体在内的晶体,其中的电子既不同于真空中的自由电子,也不同于孤立原子中的电子。真空中的自由电子具有连续的能量状态,即可取任何大小的能量;而原子中的电子是处于所谓分离的能级状态。晶体中的电子是处于所谓能带状态,能带是由许多能级组成的,能带与能带之间隔离着禁带,电子就分布在能带中的能级上,禁带是不存在公有化运动状态的能量范围。

500万彩票网半导体最高能量的、也是最重要的能带就是价带和导带。导带底与价带顶之间的能量差即称为禁带宽度(或者称为带隙、能隙)。因此,禁带宽度的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量,也就是产生本征激发所需要的最小能量。

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半导体禁带宽度还与温度等有关:半导体禁带宽度随温度能够发生变化,这是半导体器件及其电路的一个弱点(但在某些应用中这却是一个优点)。半导体的禁带宽度具有负的温度系数,所以当温度升高时,晶体的原子间距增大,能带宽度虽然变窄,但禁带宽度却是减小的 —— 负的温度系数。

禁带宽度是半导体的一个重要特征参量,其大小主要决定于半导体的能带结构,即与晶体结构和原子的结合性质等有关。根据半导体材料的禁带宽度的不同,可分为半导体材料和窄禁带半导体材料:

· 若禁带宽度Eg< 2。3eV(电子伏特),则称为窄禁带半导体,如锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)以及磷化铟(InP);

· 若禁带宽度Eg>2.3eV则称为半导体,如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、H碳化硅(HSiC)、H碳化硅(HSiC)、氮化铝(AlN)以及氮化镓铝(ALGaN)等。

禁带越宽,意味着电子跃迁到导带所需的能量越大,也意味着材料能承受的温度和电压越高,越不容易成为导体;禁带越窄,意味着电子跃迁到导带所需的能量越小,也意味着材料能承受的温度和电压越低,越容易成为导体。

500万彩票网宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点,非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。

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SiC和GaN

GaN晶体管在20世纪90年代首次出现,2010年宜普电源转换公司(EPC)推出第一个器件后,宣布了GaN开始了的正式商业化应用之路。SiC二极管自2001年推出,到现在已经进入了所有高性能电源、可再生能源和电机驱动应用领域。

GaN和SiC等宽禁带半导体具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点,可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求。从工程角度来看,SiC和GaN具有的优势主要有下面4个:

· 宽禁带半导体具有卓越的dV/dt切换性能,这意味着开关损耗非常小。这使得高开关频率(SiC为50 kHz至500 kHz,GaN为1 MHz以上)成为可能,结果有助于减小磁体体积,同时提升功率密度。

· 电感值、尺寸和重量能减少70%以上,同时还能减少电容数量,使最终转换器的尺寸和重量仅相当于传统转换器的五分之一。

· 无源元件和机械部件(包括散热器)的用量可节省约40%,增值部分则体现在控制电子IC上。

· 宽禁带半导体对高结温具有超高的耐受性,这种耐受性有助于提升功率密度,减少散热问题。

与GaN相比,SiC热导率是GaN的三倍以上,在高温应用领域更有优势;同时SiC单晶的制备技术相对更成熟,所以SiC功率器件的种类远多于GaN。但是GaN并不完全处于劣势,甚至被称为SiC器件获得成长的最大抑制因素。随着GaN制造工艺在不断进步,在GaN-on-Si外延片上制造的GaN器件具有相当低的成本,比在SiC晶片上制造任何产品都更为容易。由于这些原因,GaN晶体管可能会成为2020年代后期逆变器中的首选,优于较昂贵的SiC MOSFET。数据显示,2023年全球GaN器件市场规模将达到224.7亿美元。

在应用上,SiC和GaN的优势是互补的。GaN拥有更高的热导率和更成熟的技术,而SiC直接跃迁、高电子迁移率和饱和电子速率、成本更低的优点则使其拥有更快的研发速度。两者的不同优势决定了应用范围上的差异:GaN的市场应用偏向高频小电力领域,集中在1000V以下;而SiC适用于1200V以上的高温大电力领域。两者的应用领域覆盖了新能源汽车、光伏、机车牵引、智能电网、节能家电、通信射频等大多数具有广阔发展前景的新兴应用市场。


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500万彩票网· SiC最大的应用市场来自汽车。与传统解决方案相比,基于SiC的解决方案使系统效率更高、重量更轻及结构更加紧凑。目前SiC器件在EV/HEV上应用主要是功率控制单元(PCU)、逆变器、DC-DC转换器、车载充电器等方面。全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大,占全球SiC产量的70%~80%;欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链;日本是设备和模块开发方面的领先者。中国企业在衬底、外延和器件方面均有所布局,但是体量均较小。

· GaN是5G应用的关键材料。相较于已经发展十多年的SiC,GaN功率器件是后进者,它拥有类似SiC性能优势的宽禁带材料,但拥有更大的成本控制潜力,在射频微波领域和电力电子领域都有广泛的应用。GaN是射频器件的合适材料,特别是高频应用,这在5G时代非常重要。电力电子方面,GaN功率器件因其高频高效率的特点而在消费电子充电器、新能源充电桩、数据中心等领域有着较大的应用潜力。目前GaN产业仍旧以海外企业为主,国内企业在衬底外延和设计制造领域都逐渐开始涉足。

基于SiC、GaN功率器件的前景可期,已吸引众多公司进入这一市场,英飞凌、恩智浦、安森美、ST、德州仪器、罗姆、TDK、松下、东芝、等实力选手也纷纷加入战局。在国内电源管理IC厂商中,也有包括矽力杰、晶丰、士兰微、芯朋微、东科、比亚迪等战将,但显然这一市场仍以日美欧厂商为主角。

我国早已经在大力扶持第三代半导体产业。2016年国务院就出台了《“十三五”国家科技创新规划》,明确提出以第三代半导体材料等为核心,抢占先进电子材料技术的制高点。

SiC和GaN的应⽤领域 

宽禁带半导体材料作为一类新型材料,具有独特的电、光、声等特性,其制备的器件具有优异的性能,在众多方面具有广阔的应用前景。它能够提高功率器件工作温度极限,使其在更恶劣的环境下工作;能够提高器件的功率和效率,提高装备性能;能够拓宽发光光谱,实现全彩显示。随着宽禁带技术的进步,材料工艺与器件工艺的逐步成熟,其重要性将逐渐显现,在高端领域将逐步取代第一代、第二代半导体材料,成为电子信息产业的主宰。

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· 半导体照明:LED衬底类别包括蓝宝石、SiC、Si以及GaN。蓝光LED在用衬底材料来划分技术路线。SiC衬底有效地解决了衬底材料与GaN的晶格匹配度问题,减少了缺陷和位错,更高的电光转换效率从根本上带来更多的出光和更少的散热。GaN具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越特性,是迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系。时至今日,GaN衬底相对于蓝宝石、SiC等衬底的性能优势显而易见,最大难题在于价格过高。

· 功率器件:2015年,SiC功率半导体市场(包括二极管和晶体管)规模约为2亿美元,到2021年,其市场规模预计将超过5。5亿美元,这期间的复合年均增长率预计将达19%。毫无悬念,消耗大量二极管的功率因素校正(PFC)电源市场,仍将是SiC功率半导体最主要的应用。

· 微波器件:GaN高频大功率微波器件已开始用于军用雷达、智能武器和通信系统等方面。在未来,GaN微波器件有望用于4G-5G移动通讯基站等民用领域。GaN在国防领域的应用主要包括IED干扰器、军事通讯、雷达、电子对抗等。GaN将在越来越多的国防产品中得到应用,充分体现其在提高功率、缩小体积和简化设计方面的巨大优势。

· 激光器和探测器:在激光器和探测器应用领域,GaN激光器已经成功用于蓝光DVD,蓝光和绿色的激光将来巨大的市场空间在微型投影、激光3D投影等投影显示领域,蓝色激光器和绿光激光器产值约为2亿美元,如果技术瓶颈得到突破,潜在产值将达到500亿美元。2014年诺贝尔奖获得者中村修二认为下一代照明技术应该是基于GaN激光器的“激光照明”,有望将照明和显示融合发展。目前,只有国外的日本日亚公司(Nichia)、和德国的欧司朗(Osram)等公司能够提供商品化的GaN基激光器。由于GaN优异的光电特性和耐辐射性能,还可以用作高能射线探测器。GaN基紫外探测器可用于导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域,例如核辐射探测器、X射线成像仪等,但尚未实现产业化。

宽禁带半导体面临的挑战

虽然GaN和SiC等宽禁带半导体正在快速增长中,但其实它们的发展还是面临着许多挑战的。真正的挑战是为市场提供强固和高性能的器件,实现与硅电源半导体相当或优于硅电源半导体的稳定和可靠的运行。

首先是所有新技术在推广初期都会遇到的成本问题,据Yole统计,目前SiC MOSFET器件的每安培成本比同类IGBT高出五倍以上。这主要是由于下游应用目前大多处在研发阶段,还没有形成批量产业化,尤其是在国内。从整个国际半导体市场来看,我们判断宽禁带半导体基本上处在爆发式增长的前期。

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宽禁带半导体目前遇到的最大挑战在于为了充分利用SiC器件的功率和性能,必须对封装进行显著改进。因为SiC器件的尺寸要小得多,因此,必须优化分立封装和模块的热性能,为此需要改进粘晶材料(die attach materials)和方法,这需要直接散热和/或双面散热的方案。提高开关速度需要尽可能降低寄生电感,高电流密度需要覆晶(flip-chip)和非引线键合(non-wire bonded)方案。

我国宽禁带功率半导体创新发展的时机已经逐步成熟,处于重要窗口期。但是,目前行业面临的困难仍然很多,一个产业的发展与两个方面有关:一个是技术层面,另一个重要问题就是产业的生态环境。

宽禁带功率半导体面临的技术难题很多。如衬底材料的完整性、外延层及欧姆接触的质量、工艺稳定性、器件可靠性以及成本控制等,宽禁带功率半导体产业化的难度比外界想象的要大很多。

产业发展的生态环境的建设并不完善。5G移动通信、电动汽车等是宽禁带半导体产业最具有爆发性增长潜力的应用领域,国内在产业生态的成熟度上与国外的差距还比较明显,落后程度更甚于技术层面的落后程度。产业链上下游协同不足,尚未解决材料“能用-可用-好用”发展过程中的问题和障碍。

宽禁带功率半导体需要产业链、创新链的协同发展。宽禁带功率半导体涉及多学科、跨领域的技术和应用,需要联合多个领域优势资源,开展多学科、跨领域的集成创新,但研发和产业化需要昂贵的生长和工艺设备、高等级的洁净环境和先进的测试分析平台。目前国内从事宽禁带半导体研发的研究机构、企业单体规模小,资金投入有限,研发创新速度慢,成果转化困难。

第三代宽禁带半导体材料,可以被广泛应用在各个领域,且具备众多的优良性能,可突破第一、二代半导体材料的发展瓶颈,故被市场看好的同时,随着技术的发展有望全面取代第一、二代半导体材料。目前,美国、日本、欧洲在第三代半导体SiC、GaN、AlN等技术上拥有绝对的话语权。相比美、日,我国在第三半导体材料上的起步较晚,水平较低,但由于第三代半导体还有很大的发展空间,各国都处于发力阶段,因此被视作一次弯道超车的机会。路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。或许是概括这一行业的最好判语了。



关键词: 宽禁带 半导体 SiC GaN

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