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近日，SEMICON China 2017 各專業(yè)論壇全面展開，其中為期兩天的“功率及化合物半導(dǎo)體論壇”，首日圍繞著 Si、SiC 以及 GaN 材料和寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)，深入探討了未來功率器件的發(fā)展方向、對寬禁帶半導(dǎo)體的展望以及相應(yīng)刻蝕技術(shù)的發(fā)展。
硅基氮化鎵一個正在走向成熟的顛覆性半導(dǎo)體技術(shù)
EpiGaN 首席營銷官 Dr.MARKUSBehet 先生在題為《硅基氮化鎵一個正在走向成熟的顛覆性半導(dǎo)體技術(shù)》的演講中表示，與硅器件相比，由于氮化鎵的晶體具備更強(qiáng)的化學(xué)鍵，因此它可以承受比硅器件高出很多倍的電場而不會崩潰。這意味我們可以把晶體管的各個電端子之間的距離縮短十倍。這樣可以實現(xiàn)更低的電阻損耗，以及電子具備更短的轉(zhuǎn)換時間?？偟膩碚f，氮化鎵器件具備更快速的開關(guān)、更低的功率損耗及更低的成本優(yōu)勢。
由于氮化鎵技術(shù)在低功耗、小尺寸等方面具有獨特的優(yōu)勢，近年來在功率器件市場大受歡迎。然而，其居高不下的成本使得氮化鎵技術(shù)的應(yīng)用受到很多限制。
但是隨著硅基氮化鎵技術(shù)的深入研究，我們逐漸發(fā)現(xiàn)了一條完全不同的道路，甚至可以說是顛覆性的半導(dǎo)體技術(shù)。這就是硅基氮化鎵技術(shù)。
硅襯底有一些優(yōu)勢，材料便宜，散熱系數(shù)好;難點就是有很高的缺陷密度，降低 LED 的光度。學(xué)術(shù)界希望把硅和氮化鎵整合在一起，但是有困難，主要困難是鎵與硅之間的大晶格失配。
現(xiàn)實中，硅基氮化鎵產(chǎn)品并不是一個全新的概念，事實上在大功率 LED 中，硅基氮化鎵的應(yīng)用很普遍。
用于高效電子電力半導(dǎo)體器件的 GaN 和 SiC 外延生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展
德國愛思強(qiáng)股份有限公司電力電子器件副總裁 Dr.FrankWischmeyer 先生在論壇上則強(qiáng)調(diào) Si 技術(shù)非常重要，愛思強(qiáng)已經(jīng)有很多項目對 Si 技術(shù)進(jìn)行了深入的研發(fā)，并一直在持續(xù)推出新品。
可以說無論是在技術(shù)方面，還是在應(yīng)用方面，從電子器件的應(yīng)用，到網(wǎng)絡(luò)連接器件都是愛思強(qiáng)的擅長的領(lǐng)域。
但是同時，愛思強(qiáng)也看到了 GaN 和 SiC 的優(yōu)勢，并一直在努力的備戰(zhàn)這些技術(shù)?！癎aN 和 SiC 在寬禁帶上應(yīng)用，有著非常好的優(yōu)勢，可以讓小尺寸的系統(tǒng)功率損失非常低?！盌r.FrankWischmeyer 先生表示。
具體而言，SiC 近年來在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，比如工業(yè)領(lǐng)域。對于 GAN 來說，可使用場景非常廣泛。SiC 產(chǎn)品在高功率市場中有著很好的應(yīng)用，例如 IGBT 這些產(chǎn)品都有著很好的使用，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷增長中，其主要動力來自汽車行業(yè)
GaN 產(chǎn)品市場分類，基于 GaN 材料自身的特點，可以推出不同電壓的產(chǎn)品，可以說，隨著 GaN 的應(yīng)用逐漸推廣開來，GaN 將進(jìn)一步推動市場的應(yīng)用和發(fā)展。
愛思強(qiáng)從很早的時候就開始布局 GaN 和 SiC 領(lǐng)域，從供應(yīng)商市場份額來看，愛思強(qiáng)有著非常大的市場占有率。目前，愛思強(qiáng)可以針對不同的需求提供不同產(chǎn)品和工具，方便用戶使用，并能夠保證產(chǎn)品的良率，進(jìn)行非常好的控制。
此外，針對在不同電壓情況下對于 SiC 外延情況的要求，愛思強(qiáng)都能夠提供很好的解決方案，并始終進(jìn)行著深入的研究。
對寬禁帶功率器件的期望
日產(chǎn)汽車的高級工程師 Masakatsu Hoshi 先生在論壇上則更多的強(qiáng)調(diào)寬禁帶功率器件對于我們改善我們的生活環(huán)境所起到的作用。他認(rèn)為，我們必須正視能源問題，這將會影響到我們未來的發(fā)展。
那么如何才能更好的解決能源問題呢？Masakatsu Hoshi 先生認(rèn)為我們需要兩個關(guān)鍵性的技術(shù)，其一是車輛智能化，其二是電氣化。在本次論壇上，主要是談到了電氣化這一技術(shù)，Masakatsu Hoshi 先生也結(jié)合自己在汽車方面的工作經(jīng)驗詳細(xì)解釋了電動汽車的一些問題。
Masakatsu Hoshi 先生指出，最早的電動汽車大多以機(jī)械結(jié)構(gòu)為主，根本無法實現(xiàn)量產(chǎn)。隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，電子設(shè)備開始替代汽車內(nèi)的機(jī)械設(shè)備，使得整車的重量大大減少，并能夠很好的維持續(xù)航里程和功能的要求。
“近年來，我們發(fā)現(xiàn)，不同品牌的汽車都或多或少的開始涉足 EV 汽車領(lǐng)域，因為使用電力汽車能夠提供更快，更好，更安全的駕駛體驗?，F(xiàn)在，我們甚至能夠遠(yuǎn)程控制汽車，遠(yuǎn)程調(diào)整我們汽車，更好的管理我們的汽車。” Masakatsu Hoshi 先生如是說。
與傳統(tǒng)汽車，混動汽車相比，純電動汽車無論在加速時間還是在整體的使用體驗方面都有著非常好的體驗。無是在撞擊測試還是在涉水測試中，電動汽車相對于傳統(tǒng)汽車而言，都有著非常好的使用體驗。
那么寬禁帶功率器件在電動汽車中又有什么作用呢？
第三代半導(dǎo)體中 SiC 單晶和 GaN 單晶脫穎而出，最有發(fā)展前景。寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V，未來有望全面取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體。SiC 功率器件應(yīng)用廣泛：可廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)車以及工業(yè)領(lǐng)域中的 PFC（功率因數(shù)校正器）、電源單元、UPS（不間斷電源）、DC/DC（直流轉(zhuǎn)直流）轉(zhuǎn)換器和逆變器等器件。
那么寬禁帶功率器件的未來是什么樣子的呢？Masakatsu Hoshi 先生認(rèn)為，小尺寸、低成本、高效率將是市場對于寬禁帶半導(dǎo)體的主要需求。
對于寬禁帶產(chǎn)品而言，物理屬性有著非常好的表現(xiàn)，尤其是 SiC 和 GaN 材料的器件，可以說 SiC 對于高功率的使用非常合適，GaN 則適合高頻率的使用。在汽車行業(yè)有著非常多的使用案例。
高密度 ICP 刻蝕機(jī)在新型功率器件中的應(yīng)用
作為北京北方華創(chuàng)微電子裝備有限公司，刻蝕事業(yè)部副總經(jīng)理的楊盟先生，則是從自身角度，分析了刻蝕機(jī)在新型功率器件中的應(yīng)用。
北方華創(chuàng)作為作為國內(nèi)一家以高端半導(dǎo)體工藝裝備和精密電子元器件為主營業(yè)務(wù)的公司，有著廣泛的產(chǎn)品供應(yīng)客戶使用，致力于實現(xiàn)“高端裝備中國制造”的藍(lán)圖。
在楊盟先生看來，功率器件現(xiàn)在有著非常廣泛的應(yīng)用，其年復(fù)合增長率在 17%左右，可以預(yù)見，有著非常廣闊的市場。現(xiàn)在已經(jīng)有越來越多的公司開始使用 GaN 材料來進(jìn)行功率器件的設(shè)計。
對于功率器件而言，結(jié)構(gòu)和工藝對于產(chǎn)品的性能都有著非常大的影響。凹槽設(shè)計更多使用，能夠很有效的提供整體的性能和效率 不同的設(shè)備有著不同的形狀，可以說，在不同的應(yīng)用中，器件會需要不同的刻蝕技術(shù)。對于生產(chǎn)過程有著很大的挑戰(zhàn)，如何能夠更有效率的進(jìn)行生產(chǎn)是北方華創(chuàng)一直思考的問題。
近年來，隨著全球能源需求的不斷增長以及環(huán)境保護(hù)意識的逐步增強(qiáng)，高效、節(jié)能產(chǎn)品已逐漸成為半導(dǎo)體市場發(fā)展的新趨勢。MOSFET 是典型的適應(yīng)高效節(jié)能應(yīng)用需求的半導(dǎo)體功率器件，其技術(shù)發(fā)展迅速、性能持續(xù)提升，對制造工藝提出了越來越高的要求。
華功半導(dǎo)體 GAN 功率電子器件的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程
江蘇華功半導(dǎo)體有限公司技術(shù)副總裁劉揚(yáng)先生表示，傳統(tǒng)的功率器件都是使用 Si 材料。隨著技術(shù)的發(fā)展，很多新材料被采用，例如 SiC 和 GaN。
目前的半導(dǎo)體工藝技術(shù)絕大多數(shù)依賴于硅基底。硅工藝作為電子業(yè)的基礎(chǔ)已有幾十年，在此期間，雖然進(jìn)行高能效電源轉(zhuǎn)換的方法綽綽有余，但即將不足的時代正迅速逼近。摩爾定律越來越接近其物理極限，將來這一切可真的是預(yù)期的硅性能的不明顯的漸進(jìn)式改善。但是劉揚(yáng)先生認(rèn)為功率器件也是有摩爾定律的，每四年翻一番。
在劉揚(yáng)先生看來，2010 年是功率器件元年。無論是消費電子產(chǎn)品、通訊硬件、電動車還是家用電器，提升電源轉(zhuǎn)換能效、提高功率密度水平、延長電池使用時間和加快開關(guān)速度這些日益嚴(yán)格的要求正擺在工程師面前。所有這一切都意味著電子產(chǎn)業(yè)定會變得越來越依賴于新型的功率半導(dǎo)體，采用不再以硅（Si）為基礎(chǔ)的新的工藝技術(shù)。
過去十年，GaN 已在多個行業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響，在光電方面它已對高亮發(fā)光二極管（HBLED）的發(fā)展和增殖發(fā)揮重要作用，在無線通訊方面它已被用于高功率射頻（RF）設(shè)備如高電子遷移率晶體管（HEMT）和單片微波集成電路（MMIC）?，F(xiàn)在在電源應(yīng)用中廣泛采用 GaN 有著巨大的潛力。
到 2020 年 GaN 功率器件業(yè)務(wù)每年當(dāng)值約 6 億美元。巨大的功率器件市場，吸引了非常多的半導(dǎo)體企業(yè)。
但是中國市場的現(xiàn)狀是什么樣子的呢？劉揚(yáng)先生指出，中國是功率器件消耗大國，占據(jù)全球消耗 2/3 以上，但是絕大多數(shù)高端元器件還依靠進(jìn)口。所以中國國內(nèi)的 GaN 功率器件產(chǎn)業(yè)還有待開發(fā)。
即便中國目前處在落后階段，但是中國有可能彎道超車。因為中國的照明產(chǎn)業(yè)有著非常好的發(fā)展基礎(chǔ)，而 GaN 材料平臺則是依托照明產(chǎn)業(yè)。
單片 MOCVD 技術(shù)發(fā)展推動功率&微波電子器件的商業(yè)化
來自 Veeco 的市場銷售總監(jiān) Somit Joshi 先生則談到了 5G 的到來對于 GaN RF 器件未來發(fā)展的影響。
從 2G、3G 到 4G 時代，智能手機(jī)支持的制式越來越多，射頻前端走向集成化已成為必然。因為智能手機(jī)對 2G、3G 和 4G 模式的支持，需要的射頻器件越來越多，即便集成化仍然很難控制智能手機(jī)的成本。這跟功能機(jī)時代不同，我們可以將成本做到很低，在全球市場都能夠保證低價。但如果到了 5G 時代，需要的器件越來越多，價格越來越高。
對于 5G 來說，GaN 將成為最適合 PA 的材料，尤其在 28GHz 以上的頻譜。因為毫米波的功率要求非常高，GaN 擁有小體積、大功率的特性，通常應(yīng)用在雷達(dá)上面，未來將有可能應(yīng)用在 PA 芯片上。
雖然目前 GAN 的主要應(yīng)用在發(fā)電和供電領(lǐng)域，或者說是高頻率應(yīng)用市場，也就是開關(guān)的速度更快，這對于頻率來說這是很好的事情。
“我相信，隨著 5G 技術(shù)的到來，甚至 3G 技術(shù)都需要這種高頻率器件，GaN 是非常有市場的?！盨omit Joshi 先生表示。
而 Veeco 則更多的是考慮如何為客戶提供更好的產(chǎn)品。Veeco 的工藝設(shè)備主要用于生產(chǎn)發(fā)光二極管 （LED）、電力電子器件、無線設(shè)備、微電子機(jī)械系統(tǒng) （MEMS）、硬盤和半導(dǎo)體。是 MOCVD、MBE、離子束蝕刻和其他高級薄膜工藝技術(shù)的市場領(lǐng)導(dǎo)者。
用于下一代電源轉(zhuǎn)換的 GAN E-HEMT
來自 GaN Systems 的高級總監(jiān) Charles Bailley 則認(rèn)為 GaN 材料將會為下一代電源轉(zhuǎn)換解決方案提供很好的思路與未來的發(fā)展方向。
消費電子、服務(wù)器，工業(yè)和汽車市場對于電源轉(zhuǎn)換的不同的需求。之前 LED 和無線應(yīng)用中的 GaN 讓人們看到了將這項技術(shù)用于電源應(yīng)用的希望。但是，要把 GaN 用在功率 FET 中曾經(jīng)需要重大的工藝和器件開發(fā)，而這些開發(fā)已經(jīng)延緩了相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展。此外，全新 FET 與之前使用的 Si 材料器件間的不同使得 IC 供應(yīng)商和系統(tǒng)設(shè)計人員不得不小心前行，逐步解決設(shè)計難題。
基于 GaN 的開關(guān)功率晶體管可實現(xiàn)全新電源應(yīng)用，與之前使用的硅材料 （Si） 晶體管相比，在高壓下運(yùn)轉(zhuǎn)時，性能更高，損耗更低。GaN 的高頻操作特性可以在保持高效率的同時提高性能。
目前，電源設(shè)計人員正在重新思考他們設(shè)計的電路，試圖尋找能充分發(fā)揮全新 GaN 晶體管潛能又能避免負(fù)面影響的方法來創(chuàng)造電源系統(tǒng)。
全球人口數(shù)量的不斷增長和快速發(fā)展，對電力的需求持續(xù)增加，與此同時，環(huán)境問題也需要我們在提高能源使用效率方面做出更大努力。隨著我們不斷地嘗試滿足這些需求，我們的家園將從這些創(chuàng)新中受益，幫助我們更高效地傳送、轉(zhuǎn)換和使用電力資源，而這些技術(shù)也將改進(jìn)和提升我們的生活品質(zhì)。
GaN 就是這樣一種創(chuàng)新，通過最大限度地降低電力轉(zhuǎn)換方面的功率損耗，它必將提高我們的能源使用效率。
來源：與非網(wǎng)
審核編輯 ：李倩
工商網(wǎng)監(jiān)
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