功率半導體，塵埃未定！

過去幾年，GaN和SiC等寬禁帶半導體材料發展迅速，目前均已經實現瞭商業化，而且發展良好，因此大傢都對第三代半導體統治功率半導體市場充滿瞭希望。並對矽功率器件的未來表示瞭擔憂。

但在不同廠商和機構的努力下，這個市場似乎還有不同的定數。

01 矽，死期未到

首先，我們有必要先回溯下功率半導體的發展歷史：早在20世紀50年代末雙極結晶體管(BJT)首次發明，20世紀60年代出現瞭功率二極管和晶閘管，70年代和80年代又出現瞭絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)等新型功率半導體。此後，該行業不斷通過設計和工藝上的優化來不斷提升矽功率半導體的性能，例如20世紀90年代初期，超級結結構的MOSFET開始逐步替換平面MOSFET。這些都體現瞭電子工業對更高性能、更高效率、更小尺寸和更低成本產品的永無止境的追求。

然而在過去二十年中，功率半導體架構的創新變得非常有限，矽功率器件性能已趨於穩定，因此許多人宣稱“矽已經走到瞭盡頭”。行業於是開始轉而在材料上下功夫，探索更多用於功率器件的材料，這就是現在大火大熱的SiC和GaN等寬禁帶的半導體材料。雖然大傢都覺得矽在很多場景中會比SiC與GaN取代，但是一些廠商則認為矽還沒有達到極限，正在不斷在矽的基礎上創新功率半導體，進而挑戰SiC和GaN這些寬禁帶半導體。

我們瞭解到，一傢位於美國賓夕法尼亞州名為iDEAL Semiconductor的公司，他們創造瞭一種新穎的基於矽的功率器件架構，稱為是SuperQ的專利技術。據他們的官方描述，該技術在功率器件的原子級進行瞭創新，解鎖瞭更高的效率和更高的電壓性能。該技術仍采用傳統的CMOS制造流程，適用於200mm和300mm晶圓。據他們的介紹，SuperQ技術能提供業界最低的單位面積電阻 (RSP)，該技術適用於二極管、MOSFET、IGBT和功率IC等。

具體來看，SuperQ技術主要實現瞭三項創新：

(1)利用不對稱電荷來平衡溝槽：傳統功率器件架構的實際限制是將n導區限制在整體結構的50%，其餘50%用於電壓阻斷，不支持傳導（如下圖所示），也就是說隻有50%用於傳導。而iDEA公司發明瞭一種電荷平衡方法，可以薄到總結構的5%，面積利用率高達95%。這為傳導打開瞭更大的空間，提高瞭效率。

註:傳統的常規1D功率MOSFET(a)和超結MOSFET (b)的截面結構示意圖（圖源：iDEAL Semiconductor白皮書）

iDEAL公司的SuperQ結構

(2)更薄的外延：該公司最先進的溝槽技術SuperQ提供接近理想的電荷平衡，允許更薄的外延和更好的性能數字。

(3)更高的摻雜濃度：SuperQ的技術由於其阻斷效率，可以在傳導區實現更高的摻雜濃度。這種增加的摻雜進一步降低瞭通道的電阻並降低瞭功率損失。

基於SuperQ技術的200V MOSFET有諸多優勢：其電阻比現有矽低6倍，比GaN低1.6 倍。與超結結構相比有55%更大的傳導面積；與領先的矽MOSFET驅動36馬力電機相比,可減少46%的逆變器損耗；采用SuperQ技術設計的電機驅動逆變器可節省高達 50%的功率損耗。

而且SuperQ技術還有希望用於“矽之後”的材料，如果在其他半導體材料上實現之後，它可以重塑碳化矽、氮化鎵和其他未來寬禁帶材料的成本性能曲線。當寬禁帶市場成熟時，SuperQ技術可以加速其應用。

iDEAL的首席執行官馬克·格拉納漢 (Mark Granahan) 表示，他們的芯片可能會在90%的電源芯片市場具有競爭力。目前該公司新籌集瞭4000萬美元的融資，投資者包括半導體制造設備制造商應用材料 （Applied Materials）的投資部門。

02 SiC，地位未穩

大傢以為SiC會在高壓的一些市場坐穩地位的時候，GaN也要來挑戰SiC的地位。GaN 的材料特性使其在高壓電源開關應用中優於碳化矽 (SiC) 的選擇。然而，GaN 加工技術尚未生產出可在 1,000 V 以上運行的可行 GaN 高壓開關晶體管。迄今為止，SiC 一直是 650-1200V 應用的首選寬帶半導體，尤其是電動汽車和可再生能源中的逆變器。但是垂直GaN的發展正在成為SiC的有力競爭對手。

比較 Si、SiC和GaN在 10-10,000 V擊穿電壓下的特定導通電阻限值。

在此首先需要科普一下，GaN功率器件主要分為在矽片上形成GaN活性層的“水平型”和直接使用GaN襯底的“垂直型”。第一種水平型的可以以較低的成本獲得GaN的高頻特性，但不適合需要650V以上的高耐壓的情況。第二種垂直型比水平型更適合高電壓和大電流，但GaN晶圓價格昂貴，直徑小，約為2至4英寸。如果能解決瞭成本的問題，那麼垂直型的GaN功率器件也將具有一定的優勢。

在垂直GaN的研發玩傢中，首先是位於美國紐約州伊薩卡的Odyssey Semiconductor，該公司開發瞭一種革命性的方法來在GaN中實現區域選擇性摻雜區域，為實現垂直傳導器件打開瞭大門。Odyssey Semiconductor公司正在利用高質量的塊狀 GaN 晶圓作為其專有的垂直傳導功率開關晶體管的襯底。這些襯底允許生長額定電壓高於 1,000 V 的晶體管所需的低缺陷密度器件層。

按照他們的說法，在Si上生長的GaN，缺陷密度為～10⁸至10¹⁰ cm²。這些缺陷會影響器件的高壓操作可靠性。因此，沒有任何額定電壓高於900 V的GaN HEMT商業化發佈，大多數僅限於 650伏。而他們的革命性方法使得在GaN襯底上生長的垂直傳導 GaN 器件每單位面積的缺陷減少瞭約 1000-10,000 個，這將允許在高達10,000 V及以上的電壓下可靠運行。盡管GaN襯底更昂貴，但相比SiC，GaN器件所需要的晶圓尺寸要小得多，這使得它們相對於具有相似額定值的 SiC 器件在生產方面具有競爭力。

據悉，Odyssey Semiconductor公司的垂直GaN產品樣品制作完成，包括工作電壓為650V和1200 兩種，並於2023年第一季度開始向客戶發貨。據報道，650V部分是當今更大的市場，預計將以 20% 的復合年增長率增長。1200 V產品細分市場預計將以 63% 的復合年增長率更快地增長，並將在本十年的下半年成為更大的市場。該公司的目標是完全取代目前由SiC服務的更高功率器件市場。

另一個對垂直GaN感興趣的歐洲的財團所發起的YESvGaN項目，他們從2021年開始研究一種新型垂直GaN功率晶體管，該晶體管以與矽相當的成本實現垂直 WGB 晶體管的性能。在功率半導體領域，歐洲一直是具備深厚的基礎和技術積累，該財團背後也是集聚瞭歐洲頂尖的企業和組合。YESvGaN聯盟是博世、意法半導體、Soitec、Siltronic、AIXTRON、X-FAB等企業和德國研究機構Fraunhofer IISB、Ferdinand由Braun Institute、比利時根特大學、西班牙瓦倫西亞大學等在7個國傢設立據點的23傢公司/組織組成，歐盟的研究開發項目“ECSEL”JU”以及歐洲各國提供的資金。

他們研究的方向是，通過GaN在矽和藍寶石底板上的異端外延增長獲得成本優勢，同時兼顧垂直特性。原本GaN on Silicon (GaN在矽基板上的生長)之所以不能制造垂直形狀，是因為需要絕緣性緩沖層。另外，藍寶石本身就是絕緣體。因此，該項目將GaN生長後器件區域正下方的緩沖層和矽、藍寶石襯底本身去除，從背面直接通過金屬接觸與GaN層連接，這稱為是“垂直GaN薄膜晶體管”。該項目目前正在進行的開發目標是使用300mm的矽或藍寶石晶圓，制造出耐壓650 ~ 1200V級別的垂直GaN功率晶體管，雖然厚度隻有幾微米，但垂直的結構的優點和GaN onSilicon或GaN on Sapphire的低成本將成為可能。

下圖顯示瞭YESvGaN的一些主要研究步驟和所要進行的工作，主要包括：1）為實現650 ~ 1200v級別，在最大300mm的矽/藍寶石襯底上實現厚漂移層外延生長的技術開發；2）最大1200V/100A導通電阻4mΩcm²垂直GaN功率晶體管的開發及與矽IGBT成本相同的工藝技術；3）通過幹法蝕刻去除矽襯底和緩沖層，通過激光剝離形成藍寶石襯底的抬高和沉降接觸，以及通過先進的接合和泥帶實現背面功率元化固定技術；4）對功率晶體管組件和互連技術的開發，還有相應的可靠性特性評估；5）為開發的功率晶體管創建數據表並在多個應用演示機中演示系統效率改進。

在全球最大的電力電子展 PCIM Europe 2023（2023 年 5 月 9 日至 12 日，德國）上，博世展示瞭其YESvGaN項目的進展，博世已經實現在矽和藍寶石上生長瞭二極管擊穿電壓超過500V的堆疊層，並在150mm GaN on Silicon晶圓上去除瞭矽，形成瞭4μm厚、最大直徑為5mm的GaN薄膜。不過博世還沒有到最終晶體管完成的階段，目前正在圍繞著驗證技術是否可行進行大量的研究。如果該技術得以實現，將有望加速垂直GaN的量產化。

博世在PCIM Europe 2023展出的150mm GaN on Silicon晶圓

除此之外，比利時的研究實驗室 imec 在 200 毫米晶圓上展示瞭突破性的氮化鎵 (GaN) 工藝，它與Aixtron的設備合作，imec已經證明瞭GaN緩沖層的外延生長，可用於200mm QST襯底上的1200V橫向晶體管應用，硬擊穿電壓超過1800V。

總之，垂直GaN的研發也是行業的一大努力方向。這些企業和機構正在努力發揮和挖掘GaN在大電壓下的潛力。

03 新材料 ，未來可期

除瞭在矽、SiC和GaN上的努力。諸如氧化鎵和金剛石等新的功率半導體材料也是業界正在攻堅的方向。在新材料的探索上，日本一直處於領先的地位，日本有很多企業在功率半導體、高頻元件等領域擁有豐富的生產實績。

金剛石在禁帶寬度、電子遷移度、熱傳導率等諸多方面遠遠比SiC和GaN等半導體材料出色，也被譽為是“終極半導體材料”。不僅是半導體，金剛石也可應用於量子傳感器。

日本的EDP株式會社和Orbray株式會社等日本公司都在積極推進金剛石材質的晶圓業務。其中，“Orbray”研發瞭一種以藍寶石（Sapphire）為襯底，異質外延生長（Heteroepitaxial Growth）金剛石晶圓的生產方法，如今已經成功制造出直徑為2英寸的晶圓。

Orbray的2英寸金剛石基板

此外，日本初創企業日本早稻田大學孵化出瞭一傢以“實現金剛石半導體實用化”為業務目標的初創型企業Power Diamond Systems，意圖將金剛石半導體行業的先驅一一川原田教授的研發成果推向實用化。川原田教授曾利用金剛石半導體的基礎技術（氫終端表面），研發瞭金剛石場效應晶體管（FET），並為業界熟知。

日本電子設備產業新聞的報道指出，如今金剛石半導體已經開始從實驗室開始邁向實用化。但要真正普及推廣金剛石半導體的應用，依然需要花費很長的時間，不過已經有報道指出，最快在數年內，將會出現金剛石材質的半導體試作樣品。

隨著越來越多的日本企業和大學機構對金剛石和氧化鎵等新材料的探索。相信將為未來的功率功率半導體器件的發展，提供更多的發展空間。

再一個極有潛力的材料是氧化鎵，憑借其在接近5電子伏特的寬帶隙，氧化鎵領先GaN（3.4eV）一英裡，與矽（1.1eV）相比，領先優勢更是大到一個馬拉松。在對半導體至關重要的五個特性中，高臨界電場強度是β-氧化鎵的最大優勢。氧化鎵還可以通過稱為摻雜的過程使其導電性更高。這有助於打造高壓開關，也可能意味著可以基於其設計功能強大的RF設備。

2023年4月，日本的Novel Crystal Technology公司正在致力於β-Ga2O3肖特基勢壘二極管的商業化開發。在日本新能源產業技術總合開發機構(NEDO)的推動下，目前也已成功地進行瞭導入溝槽結構(Trench Structure)之耐壓1,200V、低功耗氧化鎵肖特基二極管的實證。

早在2021年，Novel Crystal Technology成功量產4吋氧化鎵晶圓，已經於今年開始供應客戶晶圓。此外，Novel Crystal Technology還計劃在2023年供應6吋晶圓。2021年，Novel Crystal Technology計劃投資約為20億日元，向其公司工廠添加設備，到 2025 年，建成年產 20,000 片 100mm（4 英寸）氧化鎵 (Ga2O3) 晶圓生產線。

關於氧化鎵的研發，國內也已取得突破。3月14日，西安郵電大學宣佈，該校陳海峰教授團隊日前成功在8英寸矽片上制備出瞭高質量的氧化鎵（GaO）外延片；此前在2月底，中國電子科技集團有限公司（中國電科）宣佈，中國電科46所成功制備出我國首顆6英寸氧化鎵單晶，達到國際最高水平。

04 結語

無論是對現有矽基功率半導體的結構創新，還是垂直GaN的突破，以及金剛石和氧化嫁等更新材料的探索，都是為瞭能夠為行業提供更優良的解決方案。隨著科技的不斷進步和需求的增長，功率半導體的突破將為電子設備和能源系統帶來巨大的變革和提升。

總的來說，功率半導體在新材料和新結構技術的不斷突破下，發展前景非常令人期待。