Si基GaN功率器件的發展態勢分析

　　2013年9月5日，首屆“第三代半導體材料及應用發展國際研討會”在深圳成功召開，來自中科院半導體研究所、南京大學、北京大學、科銳公司、西安電子科技大學等研究機構以及企業的近百名人士參加了此次會議。

　　蘇州能訊高能半導體有限公司董事長張乃千先生在會上做了以《si基GaN功率器件的發展態勢分析》為題的報告，通過詳細講解氮化鎵(GaN)的優勢、硅(si)基氮化鎵的產品優勢、氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)電力電子器件的關系、LED介入氮化鎵功率器件可選的商業模式和影響等等方面的內容，介紹了發展硅基氮化鎵的功率器件的原因、硅基氮化鎵半導體的行業狀況、氮化鎵功率材料與器件的市場前景和硅基氮化鎵功率半導體的技術發展方向。

　　他首先簡單以美國為例介紹了基于半導體技術應用的節能情景，他表示，半導體技術應用以后，美國每年的節省的電費達到萬億美元，采用新一代功率器件后，電力損耗還能再減少30%。

　　他指出氮化鎵相比較硅的優點包括三個方面，第一點是導通電阻比較低，氮化鎵的導電阻比硅低1000倍左右;第二點是速度很快，氮化鎵的開關速度比硅高100倍左右，功率密度提升;第三點是耐高溫，GaN可以在500 ℃以上的高溫環境使用。

　　在氮化鎵和碳化硅電子器件之間的關系方面，張乃千董事長表示，氮化鎵比較適合900v以下的器件，它是一個平面器件;從材料方面它們不是一個材料，它的優勢是氮化鎵的原材料可以依托龐大的照明產業，成本較低：氮化鎵可以一直生長在一個大的硅片上，既可以降低控制成本，又可以投入大規模生產;氮化鎵的規模化是很重要的，氮化鎵(GaN)器件制作需要的設備可借助于硅工業，易于大規模產業化。

　　張乃千就氮化鎵器件的市場前景對市場空間和市場大小做了簡單介紹，他說，今年所有的半導體器件加一起包括材料，大概有不到200億美元，到2020年可能將達到400億美元，它的發展相對平穩，不像LED企業起伏比較大。

　　而在這個市場中，大概有三分之二的市場屬于工業電壓比較低的的900v以下，高于900v的占三分之一，氮化鎵比較適合于大概三分之二的市場，這個市場相當的大。

　　氮化鎵行業發展狀況方面，張乃千指出，在行業發展中，氮化鎵起步比較早，通過政府和行業的的推動，氮化鎵行業1993年出現了UCSB第一個氮化鎵射頻器件， 1999年出現了第一個氮化鎵電子電力器件，2007年在 6寸硅襯底上長出了氮化鎵，基本從應用的角度開始了推進;而美國歐洲也分別在2002年和2007年啟動了推動計劃;2013年出現了通過了JEDEC質量標準的硅基氮化鎵功率器件，同時中國科技部推出了第三代半導體863計劃。

　　張乃千說，目前進入硅基氮化鎵這個行業的大概有五種企業，分別是硅功率半導體企業、化合物半導體企業、硅集成電路企業、氮化鎵風險企業和LED照明企業。其中世界排名前20的功率半導體企業基本上都在做，現在基本找不到不做硅基氮化鎵的功率半導體企業; LED照明的企業做氮化鎵也是非常合適的，LED照明最主要的是材料，材料引領產業，LED的MOCVD產能相當大，不僅能夠滿足LED的發展,也還能夠滿足電子器件的發展。LED廠商也可以多樣化經營，可以把過剩的產能分配給功率電子，能夠逐漸走進硅基氮化鎵這個行業。雖然LED轉向氮化鎵有很大的優勢，但也并不是想轉就能轉的，從材料來講需要要達到6寸、8寸的變化，器件的制作和設計與LED有一定差異。因此LED需要將襯底從藍寶石襯底變為大尺寸Si襯底,還要學習和使用功率器件設計和加工技術。

　　LED介入氮化鎵功率器件的商業模式有兩種，張乃千指出，第一種是自己做，包括生產氮化鎵外延材料并制造功率器件，第二種是提供氮化鎵功率外延片給器件生產商。

　　張乃千說，LED行業介入氮化鎵功率器件最有誘惑的一點是它的成本可以削減，在LED的發展過程中，固定資產的投入折舊占了很大一部分，從這個角度講，外延的成本能夠削減20%，總體而言成本可以削減10%左右。

　　張乃千提出，在所有工藝半導體成長中，隨著氮化鎵材料可以在6寸到8寸的晶圓上生長之后，制作很快也會朝著6寸到8寸發展。他說，未來氮化鎵的主要發展方向是6寸到8寸，并以8寸為主。

　　同時，他還指出了氮化鎵在發展之初存在的7個技術問題：

　　外延技術：外延技術具有很大的熱失配和晶格失配難點，特別是熱失配，需要運用應力工程的方法才能把外延上沒有晶圓的變成有晶圓的，比如說2007年IMEC運用應力工程，在4寸和6寸Si襯底上使用AlN成核層和AlGaN中間層制作了功率器件，現在華測、三星等企業都能生產比較的好的氮化鎵材料。

　　提高擊穿電壓：氮化鎵和碳化硅不一樣，制作結構中對擊穿電壓有很多要求，除了我們常見的長板結構是所有的線都要用的，涉及的氮化鎵非常的多，主要有幾個方面，首先是涉及緩沖層，氮化鎵硅基要在氮化鎵和硅基中間產生一個不導電的緩沖層;第2種方法是通過PN加減的方式把壓降反過來或壓降到一個統一的方向，隨著電壓減少效果越來越差，但也能起到一定作用;第3個方法是把硅去掉，氮化鎵粘到不導電的芯片上面。

　　實現常關型器件：氮化鎵剛出現的時候RS器件是常開型的，所以常關型的器件對電子電源非常重要，也有幾個方向，首先是凹槽柵方向，通過干法刻蝕減薄柵極下勢壘層的厚度，減弱或完全消除柵極區域的極化效應，這個技術剛開始應用的比較多;其次是p-GaN柵技術， 美國EPC、德國FBH和日本Meijo大學等使用了該技術。 后來香港科技大學發展了氟離子注入方式，比較適合平面器件。最后是Cap的方式，這方式適合應用在硅的器件中，硅器件的抗耐熱還有電源上面都會存在有一定問題。

　　抑制電流崩塌效應：開關中開和關需要，我們希望它能把氮化鎵高速的性能發揚出來抑制電流崩塌效應。表面鈍化，減少RF信號電流崩塌效應 ;場板方法，現在電廠在做防止電流崩塌;還有生長冒層的結構，這幾個結構跟RS器件的結構比較類似，RS器件結構也有電流崩塌效應。

　　硅工藝兼容的制造工藝：大規模的應用硅工藝，我們現階段的LED產業的重金屬對硅工藝有損害的，同時它的成本也比較高，硅工藝兼容的制造工藝發展方向，像士蘭微既做LED也能夠做硅是一個比較好的結合。

　　可靠性：功率器件的可靠性是非常重要的，特別是電流，它是一個系統中最核心的一個部件，電源有七個角度分析器件失效的方向，器件失效是我們做器件一個主要的研究方向。例如：電子器件的熱效應比較強，在很高的熱的情況下直流加速下失效，跟氮化鎵中看不見的氮有一定關系。

　　功率集成技術：氮化鎵器件的電壓比較小，這跟高電壓器件不太一樣，它的電壓比較小適合，它需要集成電壓，它的控制和速度都容易提高起來。

　　總的來說氮化鎵電子器件的發展不是一年兩年的事情，這需要很長的時間，首先前3年要做技術開發，同時質量認證和產能提高也很重要，因為電子期間的制作過程遠遠比LED要復雜，這是一個周期比較長的產業。從今年開始，氮化鎵的銷售額在逐年增長，到2020年可能會達到幾億美元或者20億美元的銷售(不含國防應用)，這個也是可喜的一面，同時我們切入的電子器件市場到2020年也能達到6%的市場，這是對氮化鎵的相對市場的認識。

　　張乃千最后對硅基氮化鎵的市場認識總結道，GaN功率器件的社會效益比較高，市場機會比較大，值得我們進入市場。在中國發展Si基GaN功率半導體有著良好的基礎。但是我們要認識到這個行業的復雜度比較高，因為材料涉及到微電子制造，存在一定的技術問題，它不等同于微電子技術，切入有一些難度，所以企業有必要開展廣泛的合作，不僅是我們的產業，微電子產業、跨國半導體產業、LED產業之間都要加強相互合作，要產學研用，共享合作。目前我們的產業剛剛起步，還處于投入期，而不是發展收獲期，都具有一定的風險 ，在這種情況下政府的引導、協調、幫助都是至關重要的。