走向功率半導體“新”賽道

作者 | 發布日期 2023 年 08 月 08 日 17:45 | 分類 功率

如今,我們已經無法想象沒有電的生活了。我們生活的各個方面越來越依賴于電力。而在電力的生產、分發和使用過程中,功率轉換起著至關重要的作用。

首先,讓我們先理解一下功率轉換。簡單來說,功率轉換是一種將電力從一種形式轉變為另一種形式的過程。這種轉換可能涉及電壓、電流、頻率的變化,從而使電力適合特定應用的需求。例如,當我們在家里使用電視、冰箱或者其他電子設備時,我們正在使用的電力都經過了轉換。這些電器設備需要將電網供應的交流電轉換為它們可以使用的直流電。此外,電力轉換也在風力或太陽能等可再生能源的生產過程中起著關鍵作用,將生產的電力轉換為我們日常生活中可以使用的形式。

然而,每次進行電力轉換時,都會有一部分能量損失。盡管這部分能量看似微不足道,但由于我們日常生活中的許多設備需要不斷運行,所以這些能量損失累計起來就是很龐大的數字。因此,提高電力轉換的效率就顯得尤為重要。此外,功率轉換技術的改進也對減少碳排放,對環境保護有著積極的影響。

問題來了,如何提高電力轉換的效率?這可能是一個復雜的工程和科學領域的問題,提高效率的方法可能涉及設計、材料、控制策略等多方面,具體包括選擇合適的電力轉換拓撲、使用先進的半導體材料、使用先進的算法優化控制策略、改進散熱設計等等。

在眾多方法中,改進功率器件材料是當下行業熱衷于做的一件事。從最初的Si到SiC/GaN,功率器件已經展現出了明顯的效率轉換提升優勢。隨著行業不斷探索更多新型材料,功率器件將迎來更大的發展突破。

功率器件的材料演進之路

硅作為最常用的半導體材料之一,占據了功率器件市場的主導地位。它的主要優點是資源豐富、工藝成熟和成本較低。然而,這一材料的電子遷移率較低,耐壓和頻率上限也相對有限,限制了其在某些高端應用中的使用。

碳化硅(SiC)以其寬禁帶特性逐漸在高功率和高溫場合受到歡迎。其高耐受電壓、低導通損耗和良好的高溫性能使其在許多應用中具有優勢,正在逐漸蠶食硅的市場份額。但相對較高的成本則是其普及的一大障礙。

氮化鎵也是一種寬帶隙半導體材料,GaN優點是高電子遷移率,低導通損耗,適合高頻應用。但缺點是制造工藝復雜,成本相對較高。

目前市面上主要采用上述這幾種材料來制造功率器件,但與此同時,行業也正在不斷探索新型材料。尤其是氧化鎵和金剛石,這兩種材料正在受到越來越多的關注。

氧化鎵,作為一種相對較新的半導體材料,相比碳化硅、氮化鎵具有更寬的禁帶寬度(約 4.9eV 禁帶寬度),以及具有 8MV/cm 的理論臨界擊穿場強。其高擊穿電場和較低的損耗顯示出巨大的潛力,但由于制造工藝相對不成熟,目前其應用仍處于探索階段。未來,氧化鎵有望在高壓和高效的功率轉換系統中找到其位置。

金剛石被認為是終極半導體,因為它在許多方面的性能優于市場上的舊材料(如硅、砷化鎵)和新材料(如氮化鎵和碳化硅)。與其他半導體材料相比,金剛石具有獨特的優勢:

不同半導體材料對功率器件的影響
(來源:Diamfab)

極高的熱導率、優異的電絕緣性能和高溫穩定性:金剛石是一種在高溫下穩定的材料,其電性能在超過2000°C的溫度下不會惡化,遠超其他半導體材料。

卓越的電氣性能:金剛石的臨界電場比硅高30倍,比碳化硅高3倍。與大多數半導體不同,金剛石的電阻率隨溫度升高而降低,這使其在高溫環境中表現出色。

超高電流密度和電壓:與硅相比,金剛石的電流密度高出5000倍,電壓高出30倍。這使其能夠在高溫和輻射的惡劣環境下工作,適用于極端條件下的應用。

廣泛的應用潛力:盡管制造工藝復雜且成本高昂,金剛石在高溫、高壓和高功率的極端環境中的潛力仍然巨大。其應用范圍涵蓋了電動汽車、具有20年長壽命電池的物聯網、使用硬化電子元件或探測器的核能和空間應用,以及用于自動駕駛汽車的超精確量子傳感器等領域。

氧化鎵商業化愈發臨近

在氧化鎵的研發方面,日本走在時代前列。

日本東京國家信息通信技術研究所 (NICT)的Masataka Higashiwaki是第一個認識到β-Ga2O3在電源開關中潛力的人。2012年,他的團隊報告了第一個單晶β-Ga2O3晶體管,令整個半導體器件界感到驚訝。他們制造的這種晶體管屬于一種叫做金屬半導體場效應晶體管的器件。那么,這種晶體管有多優秀呢?評估功率晶體管優劣的一個重要標準是“擊穿電壓”,也就是說,這個器件能在什么電壓下阻止電流通過而不被破壞。Higashiwaki的團隊創新制造的這種晶體管,其擊穿電壓高達250V以上,非常出色。作為對比,氮化鎵(GaN)晶體管花了近二十年的研發,才實現了這個標準。

此后幾年,日本不少公司都在研發氧化鎵。其中日本的一家公司Novel Crystal Technology(NCT)是世界上最早開發、制造和銷售功率半導體用氧化鎵晶圓的公司之一,該公司成立于2015年,其技術就是基于田村株式會社、日本國立信息通信技術研究所(NICT)和東京農工大學在氧化鎵的研究成果。

2023年7月28日,日本功率半導體巨頭三菱電機集團宣布,投資了Novel Crystal Technology,用于加快研究開發高性能低損耗氧化鎵(Ga2O3)功率半導體,為實現低碳社會做出貢獻。早在2021年,Novel Crystal Technology就已成功量產4英寸氧化鎵晶圓,并開始供貨。去年該公司計劃投資約20億日元,為其工廠添加設備,到2025年,建成年產2萬片4英寸的氧化鎵晶圓生產線。而且該公司計劃在2023年供應6英寸晶圓。

三菱電機希望將其長期積累的低功率損耗、高可靠性功率半導體產品設計和制造技術與Novel Crystal Technology公司的氧化鎵晶圓制造技術相結合,加快開發卓越節能的氧化鎵功率半導體。

金剛石的諸多挑戰正在被攻克

如上文所述,金剛石對于半導體行業來說是一種很有前景的材料,但該技術要成為工業現實,仍需克服許多障礙。

(一)晶圓切割:由于缺乏有效地將金剛石切成薄晶圓的技術,其應用受到限制。晶圓必須一張一張地合成,這使得制造成本對于大多數行業來說都過高。

現在,由千葉大學工程研究生院的Hirofumi Hidai教授帶領的日本研究團隊找到了切成薄晶圓的方法。這種基于激光的切割技術用于沿著最佳的晶體面整齊地切割金剛石,從而制造出平滑的晶片。為防止不必要的裂紋沿晶格擴散,研究人員開發了一種處理技術,將短激光脈沖集中在材料內的窄錐體積上。Hidai教授解釋說:“集中的激光照射會將金剛石轉化為密度低于金剛石的非晶碳。因此,被激光脈沖改變的區域會發生密度減小和裂紋形成?!?/p>

金剛石切片能夠以低成本生產高質量的晶圓,對于制造金剛石半導體器件是必不可少的。因此,這項研究使我們更接近實現金剛石半導體在社會中的各種應用,例如提高電動汽車和火車的功率轉換率。

(二)外延片:在制造金剛石器件所需的所有工業過程中,外延層的生長是最關鍵的過程之一,因為大部分電氣性能取決于這些有源層的質量。

法國的一家名為Diamfab的初創公司,正在研究生產金剛石外延晶片。Diamfab是法國國家科學研究中心 (CNRS) 的附屬機構。CNRS的寬帶隙半導體團隊 (SC2G) 30 年來一直致力于為具有挑戰性的電子應用領域開發高質量合成金剛石。

Diamfab用甲烷來生產金剛石,甲烷是一種可以通過自然和生物手段生產且不受資源限制的氣體。使用兩種工藝來合成它:HPHT(高壓高溫)或 MPCVD(微波等離子體化學氣相沉積)

通過獨特的控制來合成和摻雜金剛石外延層,他們開發了利用微波產生的等離子體在受控溫度和壓力條件下合成和摻雜金剛石外延層的IP。這會將甲烷分子裂解成碳,然后碳在金剛石種子的表面上重新排列。同時,添加精確且受控數量的硼或氮以生長金剛石摻雜層并形成準備用于器件制造的高附加值晶圓。因此,金剛石摻雜層的堆疊被生長以形成高附加值的晶圓,為設備制造做好準備。

Diamfab瞄準的是金剛石在電動汽車市場中的應用。在汽車應用中,Diamfab晶圓可以制造重量減輕80%、結構更緊湊的電源轉換器。在電網應用中,與硅相比,晶圓還可以更輕松地處理更高的電壓,并將能量損失減少10倍。Diamfab 表示,預計十年內所有電動汽車都將采用金剛石材質。

此外,化學氣相沉積 (CVD) 技術的進步也大大加速了金剛石的發展,這有望將金剛石晶圓實現4英寸。Diamfab公司越來越看到金剛石發展的契機,他們有一個明確的路線圖,到2025年實現4英寸晶圓,作為大規模生產的關鍵推動因素。目標是在未來五到七年內增加產量。

(三)器件研發:總部位于東京的 Orbray Co Ltd和位于日本愛知縣南山的汽車半導體研究公司 MIRISE Technologies Corp已開始合作開發未來在各種電動汽車中部署垂直金剛石功率器件所需的技術。

在研究合作中,Orbray將負責開發p型導電金剛石基板,而MIRISE將負責開發高壓操作器件結構,以驗證垂直金剛石功率器件的可行性。據悉,今年年初,日本佐賀大學教授Kazuki Yosda 和Orbray開發出了工作功率為每平方厘米 875 兆瓦的由金剛石制成的功率半導體,這是世界上輸出功率值最高的半導體。

結語

從硅到金剛石,不同的半導體材料各自展示了獨特的性能和優勢,推動著技術不斷進步,為構建低碳未來提供了有力支撐。這些材料的不斷演進和創新,正是為了滿足全球對能源效率和可持續發展的日益增長的需求。與此同時,圍繞著功率器件的競賽,也即將邁入下一個新賽道,因此,國內半導體廠商在這些先進半導體材料領域的研究和開發亟需加快步伐。(文:半導體行業觀察)