功率半导体，尘埃未定

本文来自微信公众号：半导体行业观察 （ID：icbank），作者：杜芹DQ，题图来自：视觉中国

过去几年，GaN和SiC等宽禁带半导体材料发展迅速，目前均已经实现了商业化，而且发展良好，因此大家都对第三代半导体统治功率半导体市场充满了希望，并对硅功率器件的未来表示了担忧。

但在不同厂商和机构的努力下，这个市场似乎还有变数。

硅，死期未到

首先，我们有必要先回溯下功率半导体的发展历史：早在20世纪50年代末双极结晶体管（BJT）首次发明，20世纪60年代出现了功率二极管和晶闸管，70年代和80年代又出现了绝缘栅双极晶体管（IGBT）和功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等新型功率半导体。此后，该行业不断通过设计和工艺上的优化来不断提升硅功率半导体的性能，例如20世纪90年代初期，超结结构的MOSFET开始逐步替换平面MOSFET。这些都体现了电子工业对更高性能、更高效率、更小尺寸和更低成本产品的永无止境的追求。

然而在过去二十年中，功率半导体架构的创新变得非常有限，硅功率器件性能已趋于稳定，因此许多人宣称“硅已经走到了尽头”。行业于是开始转而在材料上下功夫，探索更多用于功率器件的材料，这就是现在大火大热的SiC和GaN等宽禁带的半导体材料。虽然大家都觉得硅在很多场景中会被SiC、GaN取代，但是一些厂商则认为硅还没有达到极限，正在不断在硅的基础上创新功率半导体，进而挑战SiC和GaN这些宽禁带半导体。

我们了解到，一家位于美国宾夕法尼亚州名为iDEAL Semiconductor的公司，他们创造了一种新颖的基于硅的功率器件架构，称为是SuperQ的专利技术。据他们的官方描述，该技术在功率器件的原子级进行了创新，解锁了更高的效率和更高的电压性能。该技术仍采用传统的CMOS制造流程，适用于200mm和300mm晶圆。据他们介绍，SuperQ技术能提供业界最低的单位面积电阻（RSP），该技术适用于二极管、MOSFET、IGBT和功率IC等。

具体来看，SuperQ技术主要实现了三项创新：

1. 利用不对称电荷来平衡沟槽：传统功率器件架构的实际限制是将n导区限制在整体结构的50%，其余50%用于电压阻断，不支持传导（如下图所示），也就是说只有50%用于传导。而iDEA公司发明了一种电荷平衡方法，可以薄到总结构的5%，面积利用率高达95%。这为传导打开了更大的空间，提高了效率。

传统的常规1D功率MOSFET(a)和超结MOSFET (b)的截面结构示意图（图源：iDEAL Semiconductor白皮书）

iDEAL公司的SuperQ结构

2. 更薄的外延：该公司最先进的沟槽技术SuperQ提供接近理想的电荷平衡，允许更薄的外延和更好的性能数字。

3. 更高的掺杂浓度：SuperQ的技术由于其阻断效率，可以在传导区实现更高的掺杂浓度。这种增加的掺杂进一步降低了通道的电阻并降低了功率损失。

基于SuperQ技术的200V MOSFET有诸多优势：其电阻比现有硅低6倍，比GaN低1.6 倍。与超结结构相比有55%更大的传导面积；与领先的硅MOSFET驱动36马力电机相比，可减少46%的逆变器损耗；采用SuperQ技术设计的电机驱动逆变器可节省高达 50%的功率损耗。

而且SuperQ技术还有希望用于“硅之后”的材料，如果在其他半导体材料上实现之后，它可以重塑碳化硅、氮化镓和其他未来宽禁带材料的成本性能曲线。当宽禁带市场成熟时，SuperQ技术可以加速其应用。

iDEAL的首席执行官马克·格拉纳汉（Mark Granahan）表示，他们的芯片可能会在90%的电源芯片市场具有竞争力。目前该公司新筹集了4000万美元的融资，投资者包括半导体设备制造商应用材料 （Applied Materials）的投资部门。

SiC，地位未稳

大家以为SiC会在高压的一些市场坐稳地位的时候，GaN也要来挑战SiC的地位。GaN的材料特性使其在高压电源开关应用中优于碳化硅的选择。然而，GaN加工技术尚未生产出可在1000V以上运行的可行GaN高压开关晶体管。迄今为止，SiC一直是650-1200V应用的首选宽带半导体，尤其是电动汽车和可再生能源中的逆变器，但是垂直GaN的发展正在成为SiC的有力竞争对手。

比较 Si、SiC和GaN在 10-10000V击穿电压下的特定导通电阻限值。

在此首先需要科普一下，GaN功率器件主要分为在硅片上形成GaN活性层的“水平型”和直接使用GaN衬底的“垂直型”。第一种水平型的可以以较低的成本获得GaN的高频特性，但不适合需要650V以上的高耐压的情况。第二种垂直型比水平型更适合高电压和大电流，但GaN晶圆价格昂贵，直径小，约为2至4英寸。如果能解决了成本的问题，那么垂直型的GaN功率器件也将具有一定的优势。

在垂直GaN的研发玩家中，首先是位于美国纽约州伊萨卡的Odyssey Semiconductor，该公司开发了一种革命性的方法来在GaN中实现区域选择性掺杂区域，为实现垂直传导器件打开了大门。Odyssey Semiconductor公司正在利用高质量的块状GaN晶圆作为其专有的垂直传导功率开关晶体管的衬底。这些衬底允许生长额定电压高于1000V的晶体管所需的低缺陷密度器件层。

按照他们的说法，在Si上生长的GaN，缺陷密度为-10⁸至10¹⁰ cm²。这些缺陷会影响器件的高压操作可靠性。因此，没有任何额定电压高于900 V的GaN HEMT商业化发布，大多数仅限于 650伏。而他们的革命性方法使得在GaN衬底上生长的垂直传导 GaN 器件每单位面积的缺陷减少了约1000-10000个，这将允许在高达10000V及以上的电压下可靠运行。尽管GaN衬底更昂贵，但相比SiC，GaN器件所需要的晶圆尺寸要小得多，这使得它们相对于具有相似额定值的SiC器件在生产方面具有竞争力。

据悉，Odyssey Semiconductor公司的垂直GaN产品样品制作完成，包括工作电压为650V和1200 两种，并于2023年第一季度开始向客户发货。据报道，650V部分是当今更大的市场，预计将以 20% 的复合年增长率增长。1200V产品细分市场预计将以63%的复合年增长率更快地增长，并将在本十年的下半年成为更大的市场。该公司的目标是完全取代目前由SiC服务的更高功率器件市场。

另一个对垂直GaN感兴趣的欧洲的财团所发起的YESvGaN项目，他们从2021年开始研究一种新型垂直GaN功率晶体管，该晶体管以与硅相当的成本实现垂直WGB晶体管的性能。在功率半导体领域，欧洲一直具备深厚的基础和技术积累，该财团背后也是集聚了欧洲顶尖的企业和组合。YESvGaN联盟是博世、意法半导体、Soitec、Siltronic、AIXTRON、X-FAB等企业和德国研究机构Fraunhofer IISB、Ferdinand由Braun Institute、比利时根特大学、西班牙瓦伦西亚大学等在7个国家设立据点的23家公司/组织组成，欧盟的研究开发项目“ECSEL”以及欧洲各国提供的资金。

他们研究的方向是，通过GaN在硅和蓝宝石底板上的异端外延增长获得成本优势，同时兼顾垂直特性。原本GaN on Silicon（GaN在硅基板上的生长）之所以不能制造垂直形状，是因为需要绝缘性缓冲层。另外，蓝宝石本身就是绝缘体。

因此，该项目将GaN生长后器件区域正下方的缓冲层和硅、蓝宝石衬底本身去除，从背面直接通过金属接触与GaN层连接，这称为是“垂直GaN薄膜晶体管”。该项目目前正在进行的开发目标是使用300mm的硅或蓝宝石晶圆，制造出耐压650-1200V级别的垂直GaN功率晶体管，虽然厚度只有几微米，但垂直的结构的优点和GaN onSilicon或GaN on Sapphire的低成本将成为可能。

下图显示了YESvGaN的一些主要研究步骤和所要进行的工作，主要包括：1. 为实现650-1200V级别，在最大300mm的硅/蓝宝石衬底上实现厚漂移层外延生长的技术开发；2. 最大1200V/100A导通电阻4mΩcm²垂直GaN功率晶体管的开发及与硅IGBT成本相同的工艺技术；3. 通过干法蚀刻去除硅衬底和缓冲层，通过激光剥离形成蓝宝石衬底的抬高和沉降接触，以及通过先进的接合和泥带实现背面功率元化固定技术；4. 对功率晶体管组件和互连技术的开发，还有相应的可靠性特性评估；5. 为开发的功率晶体管创建数据表并在多个应用演示机中演示系统效率改进。

在全球最大的电力电子展 PCIM Europe 2023（2023 年 5 月 9 日至 12 日，德国）上，博世展示了其YESvGaN项目的进展，博世已经实现在硅和蓝宝石上生长了二极管击穿电压超过500V的堆叠层，并在150mm GaN on Silicon晶圆上去除了硅，形成了4μm厚、最大直径为5mm的GaN薄膜。不过博世还没有到最终晶体管完成的阶段，目前正在围绕着验证技术是否可行进行大量的研究。如果该技术得以实现，将有望加速垂直GaN的量产化。

除此之外，比利时的研究实验室imec在200毫米晶圆上展示了突破性的氮化镓工艺，它与Aixtron的设备合作，imec已经证明了GaN缓冲层的外延生长，可用于200mm QST衬底上的1200V横向晶体管应用，硬击穿电压超过1800V。

总之，垂直GaN的研发也是行业的一大努力方向。这些企业和机构正在努力发挥和挖掘GaN在大电压下的潜力。

新材料 ，未来可期

除了在硅、SiC和GaN上的努力。诸如氧化镓和金刚石等新的功率半导体材料也是业界正在攻坚的方向。在新材料的探索上，日本一直处于领先的地位，日本有很多企业在功率半导体、高频元件等领域拥有丰富的生产实绩。

金刚石在禁带宽度、电子迁移度、热传导率等诸多方面远远比SiC和GaN等半导体材料出色，也被誉为“终极半导体材料”。不仅是半导体，金刚石也可应用于量子传感器。

日本的EDP株式会社和Orbray株式会社等日本公司都在积极推进金刚石材质的晶圆业务。其中，“Orbray”研发了一种以蓝宝石（Sapphire）为衬底，异质外延生长（Heteroepitaxial Growth）金刚石晶圆的生产方法，如今已经成功制造出直径为2英寸的晶圆。

此外，日本初创企业日本早稻田大学孵化出了一家以“实现金刚石半导体实用化”为业务目标的初创型企业Power Diamond Systems，意图将金刚石半导体行业的先驱一一川原田教授的研发成果推向实用化。川原田教授曾利用金刚石半导体的基础技术（氢终端表面），研发了金刚石场效应晶体管（FET），并为业界熟知。

日本电子设备产业新闻的报道指出，如今金刚石半导体已经开始从实验室开始迈向实用化。但要真正普及推广金刚石半导体的应用，依然需要花费很长的时间，不过已经有报道指出，最快在数年内，将会出现金刚石材质的半导体试作样品。

随着越来越多的日本企业和大学机构对金刚石和氧化镓等新材料的探索。相信将为未来的功率半导体器件的发展，提供更多的发展空间。

另一个极有潜力的材料是氧化镓，凭借其在接近5电子伏特的宽带隙，氧化镓领先GaN（3.4eV）一英里，与硅（1.1eV）相比，领先优势更是大到一个马拉松。在对半导体至关重要的五个特性中，高临界电场强度是β-氧化镓的最大优势。氧化镓还可以通过称为掺杂的过程使其导电性更高。这有助于打造高压开关，也可能意味着可以基于其设计功能强大的RF设备。

2023年4月，日本的Novel Crystal Technology公司正在致力于β-Ga2O3肖特基势垒二极管的商业化开发。在日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的推动下，目前也已成功地进行了导入沟槽结构（Trench Structure）之耐压1，200V、低功耗氧化镓肖特基二极管的实证。

早在2021年，Novel Crystal Technology成功量产4吋氧化镓晶圆，已经于今年开始供应客户晶圆。此外，Novel Crystal Technology还计划在2023年供应6吋晶圆。2021年，Novel Crystal Technology计划投资约为20亿日元，向其公司工厂添加设备，到2025年，建成年产20000片100mm（4 英寸）氧化镓（Ga2O3）晶圆生产线。

关于氧化镓的研发，国内也已取得突破。3月14日，西安邮电大学宣布，该校陈海峰教授团队日前成功在8英寸硅片上制备出了高质量的氧化镓（GaO）外延片；此前在2月底，中国电子科技集团有限公司（中国电科）宣布，中国电科46所成功制备出我国首颗6英寸氧化镓单晶，达到国际最高水平。

结语

无论是对现有硅基功率半导体的结构创新，还是垂直GaN的突破，以及金刚石和氧化镓等更新材料的探索，都是为了能够为行业提供更优良的解决方案。随着科技的不断进步和需求的增长，功率半导体的突破将为电子设备和能源系统带来巨大的变革和提升。

总的来说，功率半导体在新材料和新结构技术的不断突破下，发展前景非常值得期待。

参考资料：金刚石半导体开始走向实用化，日本电子设备产业新闻

本文来自微信公众号：半导体行业观察 （ID：icbank），作者：杜芹DQ