氮化鎵/碳化硅技術真的能主導我們的生活方式？

　　全球有40%的能量作為電能被消耗了, 而電能轉換最大耗散是半導體功率器件。我國作為世界能源消費大國, 如何在功率電子方面減小能源消耗成了一個關鍵的技術難題。

　　早在1893年諾貝爾獎獲得者法國化學家亨利莫桑(Henri Moissan)在非洲發(fā)現(xiàn)了晶瑩剔透的碳化硅(SiC)單晶碎片。由于SiC是硬度僅次于金剛石的超硬材料，SiC單晶和多晶材料作為磨料和刀具材料廣泛應用于機械加工行業(yè)。作為半導體材料應用，相對于Si，SiC具有10倍的電場強度，高3倍的熱導率，寬3倍禁帶寬度，高一倍的飽和遷移速度。

　　簡單來說，SiC半導體材料在三個方面被認為具有很大的市場潛力： SiC同質外延用于高電壓大功率電力電子器件;高阻SiC基體材料用于生長GaN HEMT射頻器件;在SiC基體材料上生長GaN LED高亮度LED外延。

　　從80年代開始以美國CREE公司為代表的國際企業(yè)就開始專注于半導體應用的SiC材料商用化的開發(fā)。2000年起英飛凌首先開發(fā)出600V SiC肖特基二極管(SBD)與其COOLMOS配套使用與通訊電源的PFC應用拉開了SiC電力電子器件市場化的幕布。隨后CREE，ST，羅姆等企業(yè)也紛紛推出了SBD的全系列產(chǎn)品。從2014年開始CREE，羅姆，GE開始在市場上推廣MOSFET器件。

　　氮化鎵(GaN)因為缺乏合適的單晶襯底材料，基本上是在藍寶石，SiC或者Si的基板材料上采用MOCVD或者MBE等外延技術生長出基本的器件結構，由于是異質外延，因此材料缺陷比較多，位錯密度比較大，在上世紀90年代以前發(fā)展緩慢。進入90年代以后，日本在LED應用技術上取得了巨大的進展，特別是在中國大陸在過去10多年LED市場的高速發(fā)展，帶動了GaN材料產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化進程。

　　由于CREE在電力電子用碳化硅材料和器件的壟斷地位迫使很多功率企業(yè)采取GaN技術路線作為下一代功率半導體器件的發(fā)展方向。為了降低成本，基本上采用Si襯底上生長GaN外延并采用成熟的CMOS兼容工藝制備器件。近年來GaN的單晶基體材料也有了突破進展，已經(jīng)能夠生長出2英寸外延。美國曾經(jīng)有一家企業(yè)AVOGY曾經(jīng)試圖采用GaN同質外延生產(chǎn)PIN功率二極管和其他開關管，但是由于材料成本昂貴，并不成功。目前GaN單晶材料主要還是用于光電器件，比如激光器和太赫茲等領域。

　　SiC和GaN電力電子器件由于本身的材料特性，各自都有各自的優(yōu)點和不成熟處，因此在應用方面有區(qū)別 。一般的業(yè)界共識是：SiC適合高于1200V的高電壓大功率應用;GaN器件更適合于40-1200V的高頻應用。在600V和1200V器件應用領域，SiC和GaN形成競爭。

　　如果說在電力電子器件方面，SiC和GaN存在著競爭，那么在射頻器件和射頻IC方面，SiC和GaN是完美的一對兒，基本材料結構是在高阻(高純度)的SiC基體上生長GaN外延。圖一這張表比較了SiC, GaN和Si作為半導體材料應用的特征參數(shù)。

　　▲圖一、SiC, GaN和Si作為半導體材料應用的特征參數(shù)的比較

　　最近接連有消息報道，在美國和歐洲，氮化鎵和碳化硅技術除了在軍用雷達領域和航天工程領域得到了應用，在電力電子器件市場也有越來越廣泛的滲透。氮化鎵/碳化硅技術與傳統(tǒng)的硅技術相比，有哪些獨特優(yōu)勢?

　　大家最近都在談論摩爾定律什么時候終結?硅作為半導體的主要材料在摩爾定律的規(guī)律下已經(jīng)走過了50多年，尋找新的半導體材料替代硅已經(jīng)成了近些年半導體發(fā)展的方向之一。

　　在整個功率器件的發(fā)展過程中，第一個可控硅在1970年問世。隨著時間和技術的推移，功率密度要求逐漸提升，后面經(jīng)歷了晶體管向MOSFET的演變，到上世紀90年代末出現(xiàn)了IGBT。半導體技術的不斷進步，不僅提高了產(chǎn)品性能，同時通過縮小芯片面積降低了成本。然而到2000年的時候業(yè)界就提出硅基產(chǎn)品已經(jīng)快達到物理極限，進一步提高產(chǎn)品性能，工藝的復雜性帶來的成本升高不能抵扣芯片面積的縮小，從而芯片成本提高。

　　未來如何突破Si材料的極限?人們把目光瞄向了以氮化鎵和碳化硅為代表的寬禁帶半導體材料，這種新材料可以滿足提高開關頻率和增加功率密度的要求。

　　下圖比較了SiC，GaN和Si材料FOM的極限。

　　▲圖二、SiC，GaN和Si材料FOM的極限

　　從具體材料來看，SIC器件的結構與傳統(tǒng)的Si器件結構非常類似。可以說SiC器件就是利用其材料臨界電場高，高載流子遷移率的特點，采用非常薄的外延就可以承受更高耐壓，比如600V器件，可以用9um外延即可，而Si器件需要50um左右外延，這就大大降低了導通壓降或導通電阻。

　　GaN器件有所不同。目前業(yè)界通常是采用MOCVD生長AlGaN/GaN異質結外延，由于材料的壓電和自身極化效應，在異質結界面產(chǎn)生高密度二維電子氣，形成開關管的溝道。因此器件是個平面器件，除了在器件FOM比Si器件更具有優(yōu)勢之外，還很容易與其他器件集成制備IC器件。比如最近Navitas和Dialog都實現(xiàn)了驅動IC和GaN開關管單芯片集成，大幅降低了用戶使用的技術門檻。

　　除了軍方市場，我們可能更感興趣氮化鎵/碳化硅技術能給我們帶來哪些新興市場機會，比如工業(yè)制造4.0、新能源汽車、智慧家庭、移動通訊以及健康醫(yī)療等，有哪些市場熱點和切入點?

　　從技術上來看，碳化硅和氮化鎵器件突破了Si基器件的物理極限，為新型的電源拓撲結構提供了更大的拓展空間。但從能量效率的提高上來看，SiC和GaN器件相對于Si器件并不能夠提高更多。但是采用使氮化鎵/碳化硅技術后，可以把工作頻率從100KHZ提高到兆赫茲，可以大幅縮小電源尺寸，提高功率密度。這符合了電子產(chǎn)品短小輕薄的發(fā)展趨勢。比如，超薄電視，顯示方案完全可以把電視做的更薄，但是受到電源尺寸的限制，如果采用SiC或者GaN器件，就可以大幅減小電源尺寸打破這種制約。

　　另外一個值得關注的領域是無線充的應用。消費類電子市場的滲透，可以擴大GaN和SiC器件的出貨量，從而進一步降低器件的價格，形成了市場和技術的良性循環(huán)。而且消費類電子的可靠性要求相對沒有工業(yè)級和汽車級電子高，器件產(chǎn)品可以更快的進入市場，創(chuàng)業(yè)型的設計公司可以在短時間內形成銷售，滿足投資人的期待。所以消費類電子的電源方案是SiC和GaN器件的非常合適的切入點。

　　在工業(yè)級電子上，采用第三代半導體器件實現(xiàn)電源的高頻應用，可以簡化電源方案，提高能量轉化效率，值得關注的應用包括通訊電源，光伏逆變器和新能源汽車充電樁和無線充電方案。工業(yè)級器件可靠性評估時間長，更適合一些上市公司和國企作為一個中期的目標產(chǎn)品。