第三代宽禁带半导体GaN介绍

21906ABC · 发表于 2019-11-28 16:26

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本帖最后由 21906ABC 于 2019-11-28 16:26 编辑

第三代宽禁带半导体GaN世界
硅的瓶颈与宽禁带半导体的兴起
1、 Si 材料的历史与瓶颈

上世纪五十年代以来，以硅（Si）材料为代表的第一代半导体材料取代了笨重的电子管引发了集成电路（IC）为核心的微电子领域迅速发展。然而，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si 在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，在高频下工作性能较差，不适用于高压应用场景，光学性能也得不到突破。

随着 Si 材料的瓶颈日益突出，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体材料开始崭露头角，使半导体材料的应用进入光电子领域，尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。第三代半导体材料的兴起，则是以氮化镓（GaN）材料 p 型掺杂的突破为起点，以高亮度蓝光发光二极管（LED）和蓝光激光器（LD）的研制成功为标志，包括 GaN、碳化硅（SiC）和氧化锌（ZnO）等宽禁带材料。

第三代半导体（本文以 SiC 和 GaN 为主）又称宽禁带半导体，禁带宽度在 2.2eV 以上，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，逐步受到重视。SiC 与 GaN 相比较，前者相对 GaN 发展更早一些，技术成熟度也更高一些；两者有一个很大的区别是热导率x，这使得在高功率应用中，SiC 占据统治地位；同时由于 GaN具有更高的电子迁移率，因而能够比 SiC 或 Si 具有更高的开关速度，在高频率应用领域，GaN 具备优势。

2、 SiC/GaN：稳定爬升的光明期
虽然学术界和产业界很早认识到 SiC和 GaN相对于传统Si 材料的优点，但是由于制造设备、制造工艺与成本的劣势，多年来只是在小范围内得到应用，无法挑战 Si 基器件的统治地位，但是随着 5G、汽车等新市场出现，SiC/GaN 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，SiC 与 GaN 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， SiC/GaN 的时代即将迎来。

SiC：极限功率器件的理想材料
1、 SiC：极限功率器件的理想的材料
SiC 是由硅和碳组成的化合物半导体材料，在热、化学、机械方面都非常稳定。C 原子和 Si 原子不同的结合方式使 SiC 拥有多种晶格结构，如4H、6H、3C 等等。4H-SiC 因为其较高的载流子迁移率，能够提供较高的电流密度，常被用来做功率器件。

SiC 从上个世纪 70 年代开始研发，2001 年 SiC SBD 商用，2010 年 SiCMOSFET 商用，SiC IGBT 还在研发当中。随着 6 英寸 SiC 单晶衬底和外延晶片的缺陷降低和质量提高，使得 SiC 器件制备能够在目前现有 6英寸Si基功率器件生长线上进行，这将进一步降低SiC材料和器件成本，推进 SiC 器件和模块的普及。

SiC 器件相对于 Si 器件的优势主要来自三个方面：降低电能转换过程中的能量损耗、更容易实现小型化、更耐高温高压。
降低能量损耗。SiC 材料开关损耗极低，全 SiC 功率模块的开关损耗大大低于同等IGBT模块的开关损耗，而且开关频率越高，与IGBT模块之间的损耗差越大，这就意味着对于 IGBT 模块不擅长的高速开关工作，全 SiC 功率模块不仅可以大幅降低损耗还可以实现高速开关。
低阻值使得更易实现小型化。SiC 材料具备更低的通态电阻，阻值相同的情况下可以缩小芯片的面积，SiC 功率模块的尺寸可达到仅为 Si 的 1/10 左右。
更耐高温。SiC 的禁带宽度 3.23ev，相应的本征温度可高达 800 摄氏度，承受的温度相对 Si 更高；SiC 材料拥有 3.7W/cm/K 的热导率，而硅材料的热导率仅有 1.5W/cm/K，更高的热导率可以带来功率密度的显著提升，同时散热系统的设计更简单，或者直接采用自然冷却。

2、 SiC 产业链：欧美占据关键位置
SiC 生产过程分为 SiC 单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤，对应的是产业链衬底、外延、器件与模组三大环节。
SiC 衬底：SiC 晶体通常用 Lely 法制造，国际主流产品正从 4 英寸向 6 英寸过渡，且已经开发出 8 英寸导电型衬底产品，国内衬底以4 英寸为主。由于现有的 6 英寸的硅晶圆产线可以升级改造用于生产 SiC 器件，所以 6 英寸 SiC 衬底的高市占率将维持较长时间。
SiC 外延：通常用化学气相沉积（CVD）方法制造，根据不同的掺杂类型，分为 n 型、p 型外延片。国内瀚天天成、东莞天域已能提供 4 寸/6 寸 SiC 外延片。
SiC 器件：国际上 600~1700V SiC SBD、MOSFET 已经实现产业化，主流产品耐压水平在 1200V 以下，封装形式以 TO 封装为主。价格方面，国际上的 SiC 产品价格是对应 Si 产品的 5~6 倍，正以每年 10%的速度下降，随着上游材料器件纷纷扩产上线，未来 2~3年后市场供应加大，价格将进一步下降，预计价格达到对应 Si 产品2~3 倍时，由系统成本减少和性能提升带来的优势将推动 SiC 逐步占领 Si 器件的市场空间。

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，全球 SiC 产量的 70%~80%来自美国公司，典型公司是 Cree、Ⅱ-Ⅵ；欧洲拥有完整的 SiC 衬底、外延、器件以及应用产业链，典型公司是英飞凌、意法半导体等；日本是设备和模块开发方面的领先者，典型公司是罗姆半导体、三菱电机、富士电机等。

2、SiC 市场：汽车是最大驱动力
SiC 器件正在广泛地被应用在电力电子领域中，典型市场包括轨交、功率因数校正电源（PFC）、风电（wind）、光伏（PV）、新能源汽车（EV/HEV）、充电桩、不间断电源（UPS）等。根据 Yole 的预测， 2017~2023 年，SiC 功率器件市场将以每年 31%的复合增长率增长， 2023 年将超过 15亿美元；而 SiC 行业龙头 Cree 则更为乐观，其预计短期到 2022 年，SiC 在电动车用市场空间将快速成长到 24 亿美元，是 2017 年车用 SiC整体收入（700 万美元）的 342 倍。

SiC 是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一，技术也已经趋于成熟，令其成为实现新能源汽车最佳性能的理想选择。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、逆变器、DC-DC 转换器、车载充电器等方面。

新能源车的功率控制单元（PCU）。PCU 是汽车电驱系统的中枢神经，管理电池中的电能与电机之间的流向、传递速度。传统 PCU 使用硅基材料半导体制成，强电流与高压电穿过硅制晶体管和二极管的时的电能损耗是混合动力车最主要的电能损耗来源。而使用 SiC 则大大降低了这一过程中能量损失，将传统 PCU 配备的 Si 二极管置换成 SiC 二极管，Si IGBT 置换成 SiC MOSFET，就可以降低 10%的总能量损耗，同时也可以大幅降低器件尺寸，使得车辆更为紧凑。丰田中央研发实验室（CRDL）和电装公司从 1980 年代就开始合作开发 SiC 半导体材料，2014 年双方正式发布了基于 SiC 半导体器件的新能源汽车 PCU，是这一领域的典型代表。

车用逆变器。SiC 用在车用逆变器上，能够大幅度降低逆变器尺寸及重量，做到轻量化与节能。在相同功率等级下，全 SiC 模块的封装尺寸显著小于 Si模块，同时也可以使开关损耗降低75％（芯片温度为 150° C）；
在相同封装下，全 SiC 模块具备更高电流输出能力，支持逆变器达到更高功率。特斯拉 Model 3 采用了意法半导体（后来增加了英飞凌）生产的SiC逆变器，是第一家在主逆变器中集成全SiC功率模块的车企。2017年 12 月 2 日，ROHM 为 VENTURI 车队在电动汽车全球顶级赛事“FIAFormula E” 锦标赛第四赛季中提供了采用全 SiC 功率模块制造的逆变器，使得相对于第二赛季的逆变器尺寸下降 43%，重量轻了 6kg。
车载充电器。SiC 功率器件正在加速其在车载充电器领域的应用趋势，在今年的功率器件展 PCIM Europe 2018（2018 年 6 月 5~7 日在德国纽伦堡举行）上，多家厂商推出了面向 HEV/EV 等电动汽车充电器的 SiC功率器件产品。据 Yole 统计，截至 2018 年有超过 20 家汽车厂商在自家车载充电器中采用 SiC SBD 或 SiC MOSFET 器件，且这一市场在2023 年之前保持 44%的增长。

GaN：5G 应用的关键材料
1、 GaN：5G 应用的关键材料
GaN 材料与 Si/SiC 相比有独特优势。GaN 与 SiC 同属于第三代宽禁带半导体材料，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。与传统 Si 材料相比，基于 GaN 材料制备的功率器件拥有更高的功率密度输出，以及更高的能量转换效率，并可以使系统小型化、轻量化，有效降低电力电子装置的体积和重量，从而极大降低系统制作及生产成本。
GaN 是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为 1700℃，GaN 具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5 或 0.43）。在大气压力下，GaN 晶体一般是六方纤锌矿结构。

GaN 器件逐步步入成熟阶段。基于 GaN 的 LED 自上世纪 90 年代开始大放异彩，目前已是 LED 的主流，自 20 世纪初以来，GaN 功率器件已经逐步商业化。2010 年，第一个 GaN 功率器件由 IR 投入市场，2014年以后，600V GaN HEMT 已经成为 GaN 器件主流。2014 年，行业首次在 8 英寸 SiC 上生长 GaN 器件。

随着成本降低，GaN 市场空间持续放大。GaN 与 SiC、Si 材料各有其优势领域，但是也有重叠的地方。GaN 材料电子饱和漂移速率最高，适合高频率应用场景，但是在高压高功率场景不如 SiC；随着成本的下降，GaN 有望在中低功率领域替代二极管、IGBT、MOSFET 等硅基功率器件。以电压来分，0~300V 是 Si 材料占据优势，600V 以上是 SiC 占据优势，300V~600V 之间则是 GaN 材料的优势领域。根据 Yole 估计，在0~900V 的低压市场，GaN 都有较大的应用潜力，这一块占据整个功率市场约 68%的比重，按照整体市场 154 亿美元来看，GaN 潜在市场超过 100 亿美元。

GaN RF 市场即将大放异彩。根据 Yole 估计，大多数低于 6GHz 的宏网络单元实施将使用 GaN 器件，到 2023 年，GaN RF 器件市场规模达到 13 亿美元。

2、GaN 在电力电子领域与微波射频领域均有优势
GaN 在电力电子领域主要优势在于高效率、低损耗与高频率。GaN 材料的这一特性使得其在消费电子充电器、新能源充电桩、数据中心等领域具有很大的应用前景。
高转换效率：GaN 的禁带宽度是 Si 的 3 倍，击穿电场是 Si 的 10倍。因此，同样额定电压的 GaN 开关功率器件的导通电阻比 Si 器件低 3 个数量级，大大降低了开关的导通损耗。
低导通损耗：GaN 的禁带宽度是 Si 的 3 倍，击穿电场是 Si 的 10倍。因此，同样额定电压的 GaN 开关功率器件的导通电阻比 Si 器件低 3 个数量级，大大降低了开关的导通损耗。
高工作频率：GaN 开关器件寄生电容小，工作效率可以比 Si 器件提升至少 20 倍，大大减小了电路中储能原件如电容、电感的体积，从而成倍地减少设备体积，减少铜等贵重原材料的消耗。

GaN 在微波射频领域主要优势在于高效率、大带宽与高功率。为射频元件材料，GaN 在电信基础设施和国防军工方面应用已经逐步铺展开来。
更高效率：降低功耗，节省电能，降低散热成本，降低总运行成本。
更大的带宽：提高信息携带量，用更少的器件实现多频率覆盖，降低客户产品成本。也适用于扩频通信、电子对抗等领域。
更高的功率：在 4GHz 以上频段，可以输出比 GaAs 高得多的频率，特别适合雷达、卫星通信、中继通信等领域。

3、GaN 市场：射频是主战场，5G 是重要机遇
GaN 是射频器件的合适材料。目前射频市场主要有三种工艺：GaAs 工艺，基于 Si 的 LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）工艺，以及 GaN工艺。GaAs 器件的缺点是器件功率较低，低于 50W。LDMOS 器件的缺点是工作频率存在极限，最高有效频率在 3GHz 以下。GaN 弥补了GaAs 和 Si 基 LDMOS 两种老式技术之间的缺陷，在体现 GaAs 高频性能的同时，结合了 Si 基 LDMOS 的功率处理能力。
在射频 PA 市场， LDMOS PA 带宽会随着频率的增加而大幅减少，仅在不超过约 3.5GHz 的频率范围内有效，采用 0.25 微米工艺的 GaN 器件频率可以高达其 4 倍，带宽可增加 20%，功率密度可达 6~8 W/mm（LDMOS 为 1~2W/mm），且无故障工作时间可达 100 万小时，更耐用，综合性能优势明显。

GaN 是 5G 应用的关键技术。5G 将带来半导体材料革命性的变化，随着通讯频段向高频迁移，基站和通信设备需要支持高频性能的射频器件，GaN 的优势将逐步凸显，这正是前一节讨论的地方。正是这一优势，使得 GaN 成为 5G 的关键技术。
在 Massive MIMO 应用中，基站收发信机上使用大数量（如 32/64 等）的阵列天线来实现了更大的无线数据流量和连接可靠性，这种架构需要相应的射频收发单元阵列配套，因此射频器件的数量将大为增加，使得器件的尺寸大小很关键，利用 GaN 的尺寸小、效率高和功率密度大的特点可实现高集化的解决方案，如模块化射频前端器件。除了基站射频收发单元陈列中所需的射频器件数量大为增加，基站密度和基站数量也会大为增加，因此相比 3G、4G 时代，5G 时代的射频器件将会以几十倍、甚至上百倍的数量增加。在 5G 毫米波应用上，GaN 的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。

GaN 在电力电子器件领域多用于电源设备。由于结构中包含可以实现高速性能的异质结二维电子气，GaN 器件相比于 SiC 器件拥有更高的工作频率，加之可承受电压要低于 SiC 器件，所以 GaN 电力电子器件更适合高频率、小体积、成本敏感、功率要求低的电源领域，如轻量化的消费电子电源适配器、无人机用超轻电源、无线充电设备等。
GaN 电力电子器件增速最快的是快充市场。2018 年，世界第一家 GaNIC 厂商 Navitas 和 Exagan 推出了带有集成 GaN 解决方案（GaNFast™）的 45W 快速充电电源适配器，此 45W 充电器与 Apple USB-C 充电器相比，两者功率相差不大，但是体积上完全是不同的级别，内置 GaN 充电器比苹果充电器体积减少 40%。目前来看，采用 GaN 材料的快速充电器已成星火燎原之势，有望成为行业主流。

Hanrry 2019.11.28 整理于网络“GaN世界”