Si基GaN功率器件的發(fā)展態(tài)勢(shì)分析

　　2013年9月5日，首屆“第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用發(fā)展國(guó)際研討會(huì)”在深圳成功召開，來自中科院半導(dǎo)體研究所、南京大學(xué)、北京大學(xué)、科銳公司、西安電子科技大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)以及企業(yè)的近百名人士參加了此次會(huì)議。

　　蘇州能訊高能半導(dǎo)體有限公司董事長(zhǎng)張乃千先生在會(huì)上做了以《si基GaN功率器件的發(fā)展態(tài)勢(shì)分析》為題的報(bào)告，通過詳細(xì)講解氮化鎵(GaN)的優(yōu)勢(shì)、硅(si)基氮化鎵的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)、氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)電力電子器件的關(guān)系、LED介入氮化鎵功率器件可選的商業(yè)模式和影響等等方面的內(nèi)容，介紹了發(fā)展硅基氮化鎵的功率器件的原因、硅基氮化鎵半導(dǎo)體的行業(yè)狀況、氮化鎵功率材料與器件的市場(chǎng)前景和硅基氮化鎵功率半導(dǎo)體的技術(shù)發(fā)展方向。

　　他首先簡(jiǎn)單以美國(guó)為例介紹了基于半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用的節(jié)能情景，他表示，半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用以后，美國(guó)每年的節(jié)省的電費(fèi)達(dá)到萬億美元，采用新一代功率器件后，電力損耗還能再減少30%。

　　他指出氮化鎵相比較硅的優(yōu)點(diǎn)包括三個(gè)方面，第一點(diǎn)是導(dǎo)通電阻比較低，氮化鎵的導(dǎo)電阻比硅低1000倍左右;第二點(diǎn)是速度很快，氮化鎵的開關(guān)速度比硅高100倍左右，功率密度提升;第三點(diǎn)是耐高溫，GaN可以在500 ℃以上的高溫環(huán)境使用。

　　在氮化鎵和碳化硅電子器件之間的關(guān)系方面，張乃千董事長(zhǎng)表示，氮化鎵比較適合900v以下的器件，它是一個(gè)平面器件;從材料方面它們不是一個(gè)材料，它的優(yōu)勢(shì)是氮化鎵的原材料可以依托龐大的照明產(chǎn)業(yè)，成本較低：氮化鎵可以一直生長(zhǎng)在一個(gè)大的硅片上，既可以降低控制成本，又可以投入大規(guī)模生產(chǎn);氮化鎵的規(guī)?；呛苤匾?，氮化鎵(GaN)器件制作需要的設(shè)備可借助于硅工業(yè)，易于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。

　　張乃千就氮化鎵器件的市場(chǎng)前景對(duì)市場(chǎng)空間和市場(chǎng)大小做了簡(jiǎn)單介紹，他說，今年所有的半導(dǎo)體器件加一起包括材料，大概有不到200億美元，到2020年可能將達(dá)到400億美元，它的發(fā)展相對(duì)平穩(wěn)，不像LED企業(yè)起伏比較大。

　　而在這個(gè)市場(chǎng)中，大概有三分之二的市場(chǎng)屬于工業(yè)電壓比較低的的900v以下，高于900v的占三分之一，氮化鎵比較適合于大概三分之二的市場(chǎng)，這個(gè)市場(chǎng)相當(dāng)?shù)拇蟆?/p>

　　氮化鎵行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r方面，張乃千指出，在行業(yè)發(fā)展中，氮化鎵起步比較早，通過政府和行業(yè)的的推動(dòng)，氮化鎵行業(yè)1993年出現(xiàn)了UCSB第一個(gè)氮化鎵射頻器件， 1999年出現(xiàn)了第一個(gè)氮化鎵電子電力器件，2007年在 6寸硅襯底上長(zhǎng)出了氮化鎵，基本從應(yīng)用的角度開始了推進(jìn);而美國(guó)歐洲也分別在2002年和2007年啟動(dòng)了推動(dòng)計(jì)劃;2013年出現(xiàn)了通過了JEDEC質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的硅基氮化鎵功率器件，同時(shí)中國(guó)科技部推出了第三代半導(dǎo)體863計(jì)劃。

　　張乃千說，目前進(jìn)入硅基氮化鎵這個(gè)行業(yè)的大概有五種企業(yè)，分別是硅功率半導(dǎo)體企業(yè)、化合物半導(dǎo)體企業(yè)、硅集成電路企業(yè)、氮化鎵風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)和LED照明企業(yè)。其中世界排名前20的功率半導(dǎo)體企業(yè)基本上都在做，現(xiàn)在基本找不到不做硅基氮化鎵的功率半導(dǎo)體企業(yè); LED照明的企業(yè)做氮化鎵也是非常合適的，LED照明最主要的是材料，材料引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)，LED的MOCVD產(chǎn)能相當(dāng)大，不僅能夠滿足LED的發(fā)展,也還能夠滿足電子器件的發(fā)展。LED廠商也可以多樣化經(jīng)營(yíng)，可以把過剩的產(chǎn)能分配給功率電子，能夠逐漸走進(jìn)硅基氮化鎵這個(gè)行業(yè)。雖然LED轉(zhuǎn)向氮化鎵有很大的優(yōu)勢(shì)，但也并不是想轉(zhuǎn)就能轉(zhuǎn)的，從材料來講需要要達(dá)到6寸、8寸的變化，器件的制作和設(shè)計(jì)與LED有一定差異。因此LED需要將襯底從藍(lán)寶石襯底變?yōu)榇蟪叽鏢i襯底,還要學(xué)習(xí)和使用功率器件設(shè)計(jì)和加工技術(shù)。

　　LED介入氮化鎵功率器件的商業(yè)模式有兩種，張乃千指出，第一種是自己做，包括生產(chǎn)氮化鎵外延材料并制造功率器件，第二種是提供氮化鎵功率外延片給器件生產(chǎn)商。

　　張乃千說，LED行業(yè)介入氮化鎵功率器件最有誘惑的一點(diǎn)是它的成本可以削減，在LED的發(fā)展過程中，固定資產(chǎn)的投入折舊占了很大一部分，從這個(gè)角度講，外延的成本能夠削減20%，總體而言成本可以削減10%左右。

　　張乃千提出，在所有工藝半導(dǎo)體成長(zhǎng)中，隨著氮化鎵材料可以在6寸到8寸的晶圓上生長(zhǎng)之后，制作很快也會(huì)朝著6寸到8寸發(fā)展。他說，未來氮化鎵的主要發(fā)展方向是6寸到8寸，并以8寸為主。

　　同時(shí)，他還指出了氮化鎵在發(fā)展之初存在的7個(gè)技術(shù)問題：

　　外延技術(shù)：外延技術(shù)具有很大的熱失配和晶格失配難點(diǎn)，特別是熱失配，需要運(yùn)用應(yīng)力工程的方法才能把外延上沒有晶圓的變成有晶圓的，比如說2007年IMEC運(yùn)用應(yīng)力工程，在4寸和6寸Si襯底上使用AlN成核層和AlGaN中間層制作了功率器件，現(xiàn)在華測(cè)、三星等企業(yè)都能生產(chǎn)比較的好的氮化鎵材料。

　　提高擊穿電壓：氮化鎵和碳化硅不一樣，制作結(jié)構(gòu)中對(duì)擊穿電壓有很多要求，除了我們常見的長(zhǎng)板結(jié)構(gòu)是所有的線都要用的，涉及的氮化鎵非常的多，主要有幾個(gè)方面，首先是涉及緩沖層，氮化鎵硅基要在氮化鎵和硅基中間產(chǎn)生一個(gè)不導(dǎo)電的緩沖層;第2種方法是通過PN加減的方式把壓降反過來或壓降到一個(gè)統(tǒng)一的方向，隨著電壓減少效果越來越差，但也能起到一定作用;第3個(gè)方法是把硅去掉，氮化鎵粘到不導(dǎo)電的芯片上面。

　　實(shí)現(xiàn)常關(guān)型器件：氮化鎵剛出現(xiàn)的時(shí)候RS器件是常開型的，所以常關(guān)型的器件對(duì)電子電源非常重要，也有幾個(gè)方向，首先是凹槽柵方向，通過干法刻蝕減薄柵極下勢(shì)壘層的厚度，減弱或完全消除柵極區(qū)域的極化效應(yīng)，這個(gè)技術(shù)剛開始應(yīng)用的比較多;其次是p-GaN柵技術(shù)， 美國(guó)EPC、德國(guó)FBH和日本Meijo大學(xué)等使用了該技術(shù)。 后來香港科技大學(xué)發(fā)展了氟離子注入方式，比較適合平面器件。最后是Cap的方式，這方式適合應(yīng)用在硅的器件中，硅器件的抗耐熱還有電源上面都會(huì)存在有一定問題。

　　抑制電流崩塌效應(yīng)：開關(guān)中開和關(guān)需要，我們希望它能把氮化鎵高速的性能發(fā)揚(yáng)出來抑制電流崩塌效應(yīng)。表面鈍化，減少RF信號(hào)電流崩塌效應(yīng) ;場(chǎng)板方法，現(xiàn)在電廠在做防止電流崩塌;還有生長(zhǎng)冒層的結(jié)構(gòu)，這幾個(gè)結(jié)構(gòu)跟RS器件的結(jié)構(gòu)比較類似，RS器件結(jié)構(gòu)也有電流崩塌效應(yīng)。

　　硅工藝兼容的制造工藝：大規(guī)模的應(yīng)用硅工藝，我們現(xiàn)階段的LED產(chǎn)業(yè)的重金屬對(duì)硅工藝有損害的，同時(shí)它的成本也比較高，硅工藝兼容的制造工藝發(fā)展方向，像士蘭微既做LED也能夠做硅是一個(gè)比較好的結(jié)合。

　　可靠性：功率器件的可靠性是非常重要的，特別是電流，它是一個(gè)系統(tǒng)中最核心的一個(gè)部件，電源有七個(gè)角度分析器件失效的方向，器件失效是我們做器件一個(gè)主要的研究方向。例如：電子器件的熱效應(yīng)比較強(qiáng)，在很高的熱的情況下直流加速下失效，跟氮化鎵中看不見的氮有一定關(guān)系。

　　功率集成技術(shù)：氮化鎵器件的電壓比較小，這跟高電壓器件不太一樣，它的電壓比較小適合，它需要集成電壓，它的控制和速度都容易提高起來。

　　總的來說氮化鎵電子器件的發(fā)展不是一年兩年的事情，這需要很長(zhǎng)的時(shí)間，首先前3年要做技術(shù)開發(fā)，同時(shí)質(zhì)量認(rèn)證和產(chǎn)能提高也很重要，因?yàn)殡娮悠陂g的制作過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)比LED要復(fù)雜，這是一個(gè)周期比較長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)。從今年開始，氮化鎵的銷售額在逐年增長(zhǎng)，到2020年可能會(huì)達(dá)到幾億美元或者20億美元的銷售(不含國(guó)防應(yīng)用)，這個(gè)也是可喜的一面，同時(shí)我們切入的電子器件市場(chǎng)到2020年也能達(dá)到6%的市場(chǎng)，這是對(duì)氮化鎵的相對(duì)市場(chǎng)的認(rèn)識(shí)。

　　張乃千最后對(duì)硅基氮化鎵的市場(chǎng)認(rèn)識(shí)總結(jié)道，GaN功率器件的社會(huì)效益比較高，市場(chǎng)機(jī)會(huì)比較大，值得我們進(jìn)入市場(chǎng)。在中國(guó)發(fā)展Si基GaN功率半導(dǎo)體有著良好的基礎(chǔ)。但是我們要認(rèn)識(shí)到這個(gè)行業(yè)的復(fù)雜度比較高，因?yàn)椴牧仙婕暗轿㈦娮又圃?，存在一定的技術(shù)問題，它不等同于微電子技術(shù)，切入有一些難度，所以企業(yè)有必要開展廣泛的合作，不僅是我們的產(chǎn)業(yè)，微電子產(chǎn)業(yè)、跨國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、LED產(chǎn)業(yè)之間都要加強(qiáng)相互合作，要產(chǎn)學(xué)研用，共享合作。目前我們的產(chǎn)業(yè)剛剛起步，還處于投入期，而不是發(fā)展收獲期，都具有一定的風(fēng)險(xiǎn) ，在這種情況下政府的引導(dǎo)、協(xié)調(diào)、幫助都是至關(guān)重要的。