广州磨具磨料价格联盟

第三代半导体正确打开方式指南

三代半炼金术师2020-02-26 12:14:58


近几年,电动汽车、5G通信等概念的兴起,带动了不少投资人对半导体产业的关注。特别是最近中兴事件的爆发,更是让中国重新把半导体行业的发展推到了风口浪尖(为什么说重新呢?因为在我国半导体行业发展历史中,无论是功率半导体还是集成电路半导体的问题总是在爆发国际关系危机时被重视起来)。笔者作为宽禁带(第三代)半导体12年的科研者,被投资界朋友们纷纷问起这样那样的问题,借此机会希望给感兴趣的朋友普及一下到底什么是第三代半导体。


第三代半导体是什么

        首先,本文将要讨论的是处理能源的半导体芯片。由贸易战推到封口浪尖的数字信息处理芯片不在本文的导论范围中。

        第三代半导体是一个射频器件对半导体材料的划分。射频器件专家们将硅材料视为第一代半导体、砷化镓和磷化铟视为第二代半导体、氮化镓和碳化硅视为第三代半导体。新一代的半导体材料较老一代的半导体材料在微波射频领域拥有更大的功率密度、更高的截止频率等优势。如美军在韩国部署的萨德雷达,就大量使用X波段的氮化镓射频器件。所以,三代半其实一直是一个微波(射频)领域的概念。对于数字集成电路(CPU,内存,固体硬盘,DSP等) 而言,硅材料的统治地位从来没有改变过……


用于射频器件及高亮LED的透明碳化硅衬底

第三代半导体的商业应用

        在射频应用有优势的第三代半导体——碳化硅和氮化镓材料,当应用在(电力电子)功率半导体器件时,也能给电源设备等系统带来更高的效率和更大的功率密度。正因如此,“三代半”所带来的影响祭奠了比第二代半导体更加深远的地位。碳化硅和氮化镓材料撬动了一个庞大的传统市场——功率半导体市场,这是一个几乎无所不在的电源管理应用市场。它包含几乎所有设备的充放电适配器(如手机、电脑服务器、通信基站等)、工业电机驱动(如高铁、自动化机械手臂、电动车等)、新能源并网与电力传输(如光伏逆变系统、超高压柔性直流输电系统)、以及军工应用(如电磁炮、电磁弹射系统)。

碳化硅从原材料制作到应用过程示意图
碳化硅生长---->碳化硅晶锭---->切磨抛---->外延生长---->前道工艺---->后道工艺Level 0---->裸芯片---->后道工艺 Level 1---->封装---->功率模块

半导体应用的预言家

        提到这些,自然就不得不说道一位神级人物——B. Jayant Baliga。他提出了一种衡量半导体材料作为功率器件是否具有优势的判据,叫Baliga's Figure of Merit-----BFM巴黎噶品质因数

B.J. Baliga(左)作为IGBT发明者接受美国总统奥巴马(右)颁发的奖章


          1980年代,Baliga使用这个BFM因数,预言了碳化硅材料做出来的功率器件将比硅材料具有更高的功率密度,即:同样的芯片大小和导通电阻,碳化硅器件的耐压可以比硅器件高10倍(限于单极性器件)。因此,碳化硅必将取代传统硅材料功率器件。Baliga的预言,也从2000年开始逐渐成为现实。

“三代半”的发展历程

         2000年初,随着碳化硅材料的生长和加工技术不断发展,世界上终于出现了可以大面积使用的碳化硅衬底。由于发现碳化硅材料中,空穴和电子复合时产生蓝色的光芒,从而诞生了第一代蓝光LED技术。但是由于碳化硅是间接带隙能带,材料中电子空穴复合需要借助其他条件(声子),发光效率很低。后来,发现了直接带隙的氮化镓,蓝光LED的发光效率才得到了提高。

 

        2001年第一款商业化的碳化硅二极管器件从德国英飞凌公司诞生。从此以后,碳化硅功率器件的发展一发不可收拾。

“三代半”之碳化硅

        英飞凌的第一款商业化的碳化硅二极管,标志着碳化硅功率器件在可靠性、制造成本上都达到了工业应用的标准。这个里程碑标示着工业应用中,除了需要更低的成本,更有着对可靠性和寿命的严格要求----一般工业应用都要求>20年的寿命。这是普通消费电子2~3年换一次的电子产品(如手机)的可靠性不能比拟的。虽然碳化硅二极管比普通硅二极管更为昂贵,但是其极低的反向恢复电荷,大大的减小了PFC电源的功耗、体积、重量和系统成本,同时使得碳化硅未来的市场中将占领主导地位。


        什么是PFC电源?

        PFC电源是用于AC-DC电流变换中的功率因数矫正,使输入端的电压电流相位基本持平(相位差夹角对应cos(φ)>0.9或者>0.95),避免朝电网注入谐波,干扰电网工作。很多国家的法律规定,大于一定功耗(某些国家是70W)的AC-DC电源必须有PFC功能。最常见的PFC电源就是笔记本电脑和服务器的电源。

        最常用的PFC电源是一个boost升压电路,主要由一组全桥二极管(50~60Hz低频),一个CoolMOS开关,和一个碳化硅二极管(SiC Diode)组成。CoolMOS和SiC Diode可以在很高的频率(>100Hz)下开关,使得经过负载电容滤波后的电压稳定在一个较高的直流电压上。这是近十几年碳化硅二极管商业应用最成功的案例之一。

常见的AC-DC电源的PFC级电路


        随着碳化硅和氮化镓技术的发展,自2006年开始,以CREE为首的各大公司,逐渐开始尝试碳化硅和氮化镓功率开关器件的商业化,并使得图腾柱(totem pole)等拓扑结构的PFC电路成为可能(之前不能使用图腾柱拓扑的原因是CoolMOS具有很大的输出电容和极大的体二极管反向恢复电荷)。使用碳化硅或者氮化镓的图腾柱PFC电源,具有更高的效率和更小的体积。

传统电源与图腾柱PFC电源的比较:1/4的体积,1/6的重量


图腾柱PFC的电路拓扑


        除了PFC,近几年电动汽车的兴起,带动了“三代半”在汽车领域的应用。主要的应用就是电动汽车的电池管理系统(BMS,包含AC/DC,PFC,DC/DC)和 电机控制单元(MCU,包含DC/DC,DC/AC),同时也应用在了各种充电桩设备上。


电动汽车的电力系统


        在传统的电力电子系统中,这些电路的半导体器件主要是硅器件的天下。这些硅器件包含VDMOS(400V以下应用),CoolMOS(600-900V应用),和IGBT(600-3300V应用)。随着一个个应用的突破,碳化硅的应用场景逐渐成熟,成为更可靠,更轻便,更省能的必然趋势,其需求量逐年增加,2017年起全面爆发,并持续处于缺货状态。


“三代半之氮化镓

        

氮化镓晶圆片

        聊完了碳化硅,咱们来说说氮化镓。氮化镓一直是微波射频领域备受追捧的新材料。氮化镓的衬底材料很难生长,所以它主要通过在异质衬底上做外延生长得到。由于碳化硅与氮化镓的晶格适配较小,氮化镓材料很自然的可以在碳化硅衬底上生长出高质量的外延。这就为氮化镓高亮LED和应用在射频功率放器的氮化镓HEMT器件打下了基础。

 

          氮化镓在射频应用的优势,与氮化镓系列材料在界面处形成的二维电子气(2DEG)有关。二维电子气2DEG是晶格应力突变的地方由于压电效应产生的量子井形成的。当本征GaN与掺有铝原子的AlxGa1-xN材料被顺序生长时,两种材料的界面处就产生了二维电子气。这种生长方法,使得材料在没有任何注入或者扩散工艺的情况下,在极为狭窄的区域得到很高浓度的等效掺杂。由于没有电离原子造成的散射,电子在2DEG的平面内的迁移率和漂移速度非常高。由于这些原因,GaN器件在外延形成后的加工过程非常简单:只需要完成钝化保护和欧姆接触,剩下的工作就只有金属化和布线工作了。这也使得GaN HEMT器件的工艺与传统CMOS工艺可以很好地兼容。同样也是加工简单的原因,许多高校愿意做GaN的科研工作,实验简单发表文章相对容易。这也间接导致了近十年催生出来了那么多的GaN创业公司。

         

        GaN材料在LED和射频领域都有得天独厚的优势。作为LED材料,GaN发光效率高(直接带隙材料)。作为射频器件,GaN HEMT极高的导电性能和较强的耐压能力,使得其具有很大的功率密度和截止频率。然而,在功率器件的应用中,GaN HEMT的定位却非常尴尬……


        希望在读完本篇文章后,小伙伴们会对半导体的大致分类有所了解,与朋友在茶余饭后谈起第三代半导体能hold住全场话题。


        在下一篇文章中我们将会对比一下碳化硅与氮化镓的投资趋势与功能对比。


三代半炼金术师----Marth

宽禁带(第三代)半导体12年的科研者,掌握大量"三代半"半导体设计及配方,发布过20余款产品,承担和参与了碳化硅相关科研近10项,总科研经费超过6000万人民币,发表相关科技论文10余篇,总引用200余次,2项美国专利。

希望为中国的功率器件半导体发展做出薄弱贡献。

欢迎大家留言交流!