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GaN巨头,盯上这项技术:颠覆功率半导体?

关键词:GaN宽禁带半导体功率半导体

时间:2024-05-13 08:55:32      来源:互联网

不过,业界一直认为,GaN的潜力比SiC更高。如果将MOSFET和结型FET(JFET)等单极性功率器件的整体适用性与量化整体适用性(降低导通电阻和改善击穿电压的潜力)的巴利加优值(Barriga)指数进行比较,SiC(当用于制造功率器件的晶体多晶型为4H时)为500,而GaN则高得多,为930。

作者: 付斌

今年年初,专注于垂直GaN器件的两家公司NexGen和Odyssey接连破产倒闭、出售资产解散引发行业关注。那时候大家都有一个共同的疑问——垂直GaN到底行不行?

昨日,Odyssey买家浮现,Power Integrations(PI)宣布收购与其达成协议,将收购Odyssey资产。这项交易预计将于2024年7月完成,届时Odyssey所有关键员工都将加入PI的技术部门。

所以问题来了,垂直GaN到底有什么魅力,为什么大家都盯上了这项技术?垂直GaN,未来目标是什么?

垂直GaN的目标是替换SiC

氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)都是宽禁带半导体,一直以来,大家都会按照耐压等级来区分二者的应用范围。

比如说,横向GaN HEMT用于耐压650V以下的应用,包括PC的超小型交流适配器和智能手机的超小型充电器;垂直SiC沟槽MOSFET被应用于耐压1200V以上的应用,包括电动汽车(EV)的牵引逆变器(主电机驱动电路)。

不过,业界一直认为,GaN的潜力比SiC更高。如果将MOSFET和结型FET(JFET)等单极性功率器件的整体适用性与量化整体适用性(降低导通电阻和改善击穿电压的潜力)的巴利加优值(Barriga)指数进行比较,SiC(当用于制造功率器件的晶体多晶型为4H时)为500,而GaN则高得多,为930。

巴利加优值由电子迁移率(μe)、介电常数(ε)和介电击穿强度 (Ec)的物理性质值决定的值。也就是说,在耐压为1200V以上应用时,GaN作为功率器件材料的性能潜力比SiC高。

此外,现在大多数SiC都是使用具有高迁移率的4H-SiC,它在反复反复加热和冷却的环境中使用时,可能会发生相变,导致器件质量变化从而发生故障和失效,所以在制造器件时,就要在器件结构、质量控制、驱动电路、操作条件、系统配置采取更多对策。而GaN的六方纤锌矿结构是一种稳定相,所以很多人就呼吁用更稳定GaN从根本治疗SiC的问题。

但是,目前GaN的拳头应用主要围绕650V以下,也很难突破1200V,这样就很难与SiC竞争,毕竟做不了中高压。

想要进一步突破耐压,要么改善晶体质量本身,进一步减少体材料缺陷密度,要么就是从器件上改变,就是从横向变成纵向。

GaN器件主要分为纵向和横向结构,纵向GaN又称垂直型GaN(Vertical GaN)。

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平面型GaN-on-Si与(b)垂直型GaN-on-GaN器件的典型结构

目前,市面上绝大部分GaN都是横向GaN器件,而横向需要扩展器件来增加电压,从而增加芯片面积。垂直GaN功率器件就不受到此限制,电压在厚的低掺杂漂移层上下降,类似于Si和SiC,这样也就能做到更高电压。

不止如此,垂直GaN还能显著地提高功率密度、开关速度以及散热性能,降低导通电阻RDS(on),减少寄生电容。此外,垂直结构更易于产生雪崩效应,可帮助器件吸收电涌(器件两端电压或导通的电流出现峰值的情况下),保持正常运行,适用于工业应用场景。

所以说,垂直GaN是行业的一个大目标,全世界都在加大力量研发这项技术。把耐压做大,意味着GaN器件能够逐渐渗透到汽车、工业、数据中心等领域。假设未来垂直GaN上车,也能够显著提高电动汽车基本性能。

理想好,落地难

虽然好处多多,但制造起来是个难题,落地更难。

究其原因,就是贵。现在行业主流的形式是GaN-on-Si或者GaN-on-SiC,也就是在Si或者SiC基衬底上做GaN器件。

但垂直GaN器件峰值电场往往出现在远离表面的位置,所以只能用GaN自支撑衬底,也就是GaN-on-GaN。

而目前来看,GaN自支撑外延片的成本较高,此外,目前GaN自支撑衬底的外延片尺寸较小,这就使得单个器件的成本更高。

数据显示,目前2英寸GaN衬底价格高达1.5万元人民币,对比起来,8英寸硅外延片的市场价不到300元。

也就是说,花大力气做的垂直GaN,市场量级撑不起高昂的费用,想要落地就更难了。

美国、欧洲、日本等国家和地区相继发起多项垂直型GaN-on-GaN器件的研发项目。2017年,中国科技部也启动了“第三代半导体的衬底制备及同质外延”重点研发计划,以推动GaN单晶衬底和垂直型GaN-on-GaN功率器件发展。

谁在推进垂直GaN

学术界,垂直GaN是热门话题,欧洲YESvGaN项目、比利时imec、瑞典Rise研究所、苏州纳米所、西安电子科技大学、电子科技大学等均在垂直GaN领域非常活跃。

企业方面,信越化学是离垂直GaN量产最近的一家企业,其主要掌握两个关键技术。

一是用GaN工程衬底实现了1800V耐压。垂直型器件通常需要至少10μm的高质量GaN单晶,目前可商用的GaN单晶尺寸仅为2~4英寸,不仅价格高昂,而且缺陷密度也很高。

而在2019年,信越化学获得了美国QROMIS的(QST)工程衬底专利许可。此前,QROMIS之前发布了6英寸和8英寸的QST衬底,以及具有5μm和10μm厚度的GaN模板,基于该模板生长的GaN器件良率为90%,并且还已证明基于QST的GaN层厚可以达到30 µm,而且无裂纹。

二是衬底剥离技术。QST衬底至今未被大规模商用的原因在于缺乏高校剥离技术,信越化学则联合日本冲电气工业(OKI)开发了CFB(晶体膜键合)技术,实现了GaN功能层与QST衬底的分离,同时还很好地解决缺陷问题,从而使高质量的QST衬底得到极大的改进。

更重要的是,这项新技术,将实现低成本制造垂直GaN功率器件,有望将制造成本降至传统制造成本的10%。也就是说,GaN的材料成本有望下降90%,届时垂直GaN将会拥有很好的效益。

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此外,垂直GaN领域也存在许多初创公司。

比如说,2022年报道显示,隆德大学的衍生公司Hexagem正在开创一种垂直纳米线生长工艺,与现今典型的横向GaN器件相比,这些垂直GaN器件每平方厘米包含的缺陷要少得多,这对英飞凌和意法半导体等器件制造商来说是个好消息。

再比如,相继倒下的NexGen和Odyssey,也都曾是这个领域的领先者:

• 2023年2月,NexGen宣布将提供700V和1200V的GaN样品;2023年7月,NexGen还宣布与通用汽车合作的GaN主驱项目已获得美国能源部 (DoE) 的资助——使用NexGen的垂直GaN器件来开发的电力驱动系统;
2022年,Odyssey表示已获得三个客户的承诺来评估这些第一代产品样品;2023年,Odyssey表示正在美国制造工作电压为650V和1200V的垂直GaN FET晶体管样品;同时Odyssey不止一次强调,其650V和1200V垂直GaN器件提供更低的导通电阻和更高的品质因数,其导通电阻仅为碳化硅 (SiC) 的十分之一,并且工作频率显着提高。

• 又比如,广东光大企业集团在半导体领域布局的重点产业化项目——中镓科技曾宣布制备的垂直型GaN–on-GaN SBD器件同时实现了较高的击穿电压和较低的开启电压,以上各项数据均达到国际领先水平,与已报道的传统垂直型GaN SBD相比表现出了优异的特性。此外,在2022年,中镓科技宣布与北京大学、波兰国家高压实验室开展了合作,使用乙烯气源制备出了世界最高电阻率的半绝缘GaN自支撑衬底。

博世对于垂直GaN技术,也跃跃欲试。2022年,消息称博世在采用一家GaN初创公司的外延技术开发垂直氮化镓器件。

PI的动作值得关注

据集邦咨询数据显示,按照2022年的营业收入计算,Power integrations(PI)以20%的市占率排名第一,其次为Navitas(17%)、英诺赛科(16%)、EPC(15%)、GaN Systems(12%)、Transphorm(9%)等。按照这样的数据计算,英飞凌将提升至15%的市场份额,最终可与EPC并列第四。

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因此,PI作为GaN领域的领先者,积极布局垂直GaN,非常具有参考意义。

Yole此前预测显示,GaN市场将在2028年达到20.8亿美元,2022年~2028年复合增长率将会保持在44%。其中,汽车和通信就是GaN两个高速增长的市场。

那时候,Yole也预警,GaN增长正在放缓脚步。也就是说,GaN需要不断扩大应用范围,来进一步扩张市场,这包括汽车,也包括PC服务器。想要拿下这块市场,垂直GaN会是非常强的助力。

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我们看到,PI已经率先张开手臂,拥抱未来。根据此前大多研究机构给出的结果,2025年或许会是垂直GaN逐步进入量产阶段的关键时间点。届时,GaN市场的打法将会是全面包围SiC,取代SiC。与此同时,GaN与原有硅代工路线极为相似,因此GaN工厂产能扩充也不是问题。

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