功率及化合物半导体论坛:聚焦宽禁带功率器件

2017-3-16  作者:  来源: SEMI中国/半导体行业观察

核心提示:3月15日,SEMICON China 2017各专业论坛全面展开,其中为期两天的“功率及化合物半导体论坛”,首日围绕着Si、SiC以及GaN材料和宽禁带半导体技术,深入探讨了未来功率器件的发展方向、对宽禁带半导体的展望以及相应刻蚀技术的发展。


3月15日,SEMICON China 2017各专业论坛全面展开,其中为期两天的“功率及化合物半导体论坛”,首日围绕着Si、SiC以及GaN材料和宽禁带半导体技术,深入探讨了未来功率器件的发展方向、对宽禁带半导体的展望以及相应刻蚀技术的发展。

硅基氮化镓一个正在走向成熟的颠覆性半导体技术

EpiGaN首席营销官Dr.MARKUS Behet先生在题为《硅基氮化镓一个正在走向成熟的颠覆性半导体技术》的演讲中表示,与硅器件相比,由于氮化镓的晶体具备更强的化学键,因此它可以承受比硅器件高出很多倍的电场而不会崩溃。这意味我们可以把晶体管的各个电端子之间的距离缩短十倍。这样可以实现更低的电阻损耗,以及电子具备更短的转换时间。总的来说,氮化镓器件具备更快速的开关、更低的功率损耗及更低的成本优势。

由于氮化镓技术在低功耗、小尺寸等方面具有独特的优势,近年来在功率器件市场大受欢迎。然而,其居高不下的成本使得氮化镓技术的应用受到很多限制。

但是随着硅基氮化镓技术的深入研究,我们逐渐发现了一条完全不同的道路,甚至可以说是颠覆性的半导体技术。这就是硅基氮化镓技术。

硅衬底有一些优势,材料便宜,散热系数好;难点就是有很高的缺陷密度,降低LED的光度。学术界希望把硅和氮化镓整合在一起,但是有困难,主要困难是镓与硅之间的大晶格失配。

现实中,硅基氮化镓产品并不是一个全新的概念,事实上在大功率LED中,硅基氮化镓的应用很普遍。

用于高效电子电力半导体器件的GaN和SiC外延生产技术的进一步发展

德国爱思强股份有限公司电力电子器件副总裁Dr.Frank Wischmeyer先生在论坛上则强调Si技术非常重要,爱思强已经有很多项目对Si技术进行了深入的研发,并一直在持续推出新品。

可以说无论是在技术方面,还是在应用方面,从电子器件的应用,到网络连接器件都是爱思强的擅长的领域。

但是同时,爱思强也看到了GaN和SiC的优势,并一直在努力的备战这些技术。“GaN和SiC在宽禁带上应用,有着非常好的优势,可以让小尺寸的系统功率损失非常低。” Dr.Frank Wischmeyer先生表示。

具体而言,SiC近年来在很多领域都有应用,比如工业领域。对于GAN来说,可使用场景非常广泛。SiC产品在高功率市场中有着很好的应用,例如IGBT这些产品都有着很好的使用,应用领域在不断增长中,其主要动力来自汽车行业。

GaN产品市场分类,基于GaN材料自身的特点,可以推出不同电压的产品,可以说,随着GaN的应用逐渐推广开来,GaN将进一步推动市场的应用和发展。

爱思强从很早的时候就开始布局GaN和SiC领域,从供应商市场份额来看,爱思强有着非常大的市场占有率。目前,爱思强可以针对不同的需求提供不同产品和工具,方便用户使用,并能够保证产品的良率,进行非常好的控制。

此外,针对在不同电压情况下对于SiC外延情况的要求,爱思强都能够提供很好的解决方案,并始终进行着深入的研究。

对宽禁带功率器件的期望

日产汽车的高级工程师 Masakatsu Hoshi先生在论坛上则更多的强调宽禁带功率器件对于我们改善我们的生活环境所起到的作用。他认为,我们必须正视能源问题,这将会影响到我们未来的发展。

那么如何才能更好的解决能源问题呢?Masakatsu Hoshi先生认为我们需要两个关键性的技术,其一是车辆智能化,其二是电气化。在本次论坛上,主要是谈到了电气化这一技术,Masakatsu Hoshi先生也结合自己在汽车方面的工作经验详细解释了电动汽车的一些问题。

Masakatsu Hoshi先生指出,最早的电动汽车大多以机械结构为主,根本无法实现量产。随着电子产品的发展,电子设备开始替代汽车内的机械设备,使得整车的重量大大减少,并能够很好的维持续航里程和功能的要求

“近年来,我们发现,不同品牌的汽车都或多或少的开始涉足EV汽车领域,因为使用电力汽车能够提供更快,更好,更安全的驾驶体验。现在,我们甚至能够远程控制汽车,远程调整我们汽车,更好的管理我们的汽车。” Masakatsu Hoshi先生如是说。

与传统汽车,混动汽车相比,纯电动汽车无论在加速时间还是在整体的使用体验方面都有着非常好的体验。无是在撞击测试还是在涉水测试中,电动汽车相对于传统汽车而言,都有着非常好的使用体验。

那么宽禁带功率器件在电动汽车中又有什么作用呢?

第三代半导体中SiC单晶和GaN单晶脱颖而出,最有发展前景。宽禁带半导体应用领域宽广,未来有望全面取代传统半导体。SiC 功率器件应用广泛:可广泛应用于汽车、机车以及工业领域中的PFC(功率因数校正器)、电源单元、UPS(不间断电源)、DC/DC(直流转直流)转换器和逆变器等器件。

那么宽禁带功率器件的未来是什么样子的呢?Masakatsu Hoshi先生认为,小尺寸、低成本、高效率将是市场对于宽禁带半导体的主要需求。

对于宽禁带产品而言,物理属性有着非常好的表现,尤其是SiC和GaN材料的器件,可以说SiC对于高功率的使用非常合适,GaN则适合高频率的使用。在汽车行业有着非常多的使用案例。

高密度ICP刻蚀机在新型功率器件中的应用

作为北京北方华创微电子装备有限公司,刻蚀事业部副总经理的杨盟先生,则是从自身角度,分析了刻蚀机在新型功率器件中的应用。

北方华创作为作为国内一家以高端半导体工艺装备和精密电子元器件为主营业务的公司,有着广泛的产品供应客户使用,致力于实现“高端装备中国制造”的蓝图。

 

在杨盟先生看来,功率器件现在有着非常广泛的应用,其年复合增长率在17%左右,可以预见,有着非常广阔的市场。现在已经有越来越多的公司开始使用GaN材料来进行功率器件的设计

对于功率器件而言,结构和工艺对于产品的性能都有着非常大的影响。凹槽设计更多使用,能够很有效的提供整体的性能和效率

不同的设备有着不同的形状,可以说,在不同的应用中,器件会需要不同的刻蚀技术。对于生产过程有着很大的挑战,如何能够更有效率的进行生产是北方华创一直思考的问题。

近年来,随着全球能源需求的不断增长以及环境保护意识的逐步增强,高效、节能产品已逐渐成为半导体市场发展的新趋势。MOSFET是典型的适应高效节能应用需求的半导体功率器件,其技术发展迅速、性能持续提升,对制造工艺提出了越来越高的要求。

华功半导体GAN功率电子器件的产业化进程

江苏华功半导体有限公司技术副总裁刘扬先生表示,传统的功率器件都是使用Si材料。随着技术的发展,很多新材料被采用,例如SiC和GaN。

目前的半导体工艺技术绝大多数依赖于硅基底。硅工艺作为电子业的基础已有几十年,在此期间,虽然进行高能效电源转换的方法绰绰有余,但即将不足的时代正迅速逼近。摩尔定律越来越接近其物理极限,将来这一切可真的是预期的硅性能的不明显的渐进式改善。但是刘扬先生认为功率器件也是有摩尔定律的,每四年翻一番。

在刘扬先生看来,2010年是功率器件元年。无论是消费电子产品、通讯硬件、电动车还是家用电器,提升电源转换能效、提高功率密度水平、延长电池使用时间和加快开关速度这些日益严格的要求正摆在工程师面前。所有这一切都意味着电子产业定会变得越来越依赖于新型的功率半导体,采用不再以硅(Si)为基础的新的工艺技术。

过去十年,GaN已在多个行业领域产生了重大影响,在光电方面它已对高亮发光二极管(HBLED)的发展和增殖发挥重要作用,在无线通讯方面它已被用于高功率射频(RF)设备如高电子迁移率晶体管(HEMT)和单片微波集成电路(MMIC)。现在在电源应用中广泛采用GaN有着巨大的潜力。

到2020年GaN功率器件业务每年当值约6亿美元。巨大的功率器件市场,吸引了非常多的半导体企业

但是中国市场的现状是什么样子的呢?刘扬先生指出,中国是功率器件消耗大国,占据全球消耗2/3以上,但是绝大多数高端元器件还依靠进口。所以中国国内的GaN功率器件产业还有待开发。

即便中国目前处在落后阶段,但是中国有可能弯道超车。因为中国的照明产业有着非常好的发展基础,而GaN材料平台则是依托照明产业。

单片MOCVD技术发展推动功率&微波电子器件的商业化

来自Veeco的市场销售总监Somit Joshi先生则谈到了5G的到来对于GaN RF器件未来发展的影响。

从2G、3G到4G时代,智能手机支持的制式越来越多,射频前端走向集成化已成为必然。因为智能手机对 2G、3G 和 4G 模式的支持,需要的射频器件越来越多,即便集成化仍然很难控制智能手机的成本。这跟功能机时代不同,我们可以将成本做到很低,在全球市场都能够保证低价。但如果到了5G时代,需要的器件越来越多,价格越来越高。

对于5G来说,GaN将成为最适合PA的材料,尤其在28GHz以上的频谱。因为毫米波的功率要求非常高,GaN拥有小体积、大功率的特性,通常应用在雷达上面,未来将有可能应用在PA芯片上。

虽然目前GAN的主要应用在发电和供电领域,或者说是高频率应用市场,也就是开关的速度更快,这对于频率来说这是很好的事情。

“我相信,随着5G技术的到来,甚至3G技术都需要这种高频率器件,GaN是非常有市场的。” Somit Joshi先生表示。

而Veeco则更多的是考虑如何为客户提供更好的产品。Veeco的工艺设备主要用于生产发光二极管 (LED)、电力电子器件、无线设备、微电子机械系统 (MEMS)、硬盘和半导体。是MOCVD、MBE、离子束蚀刻和其他高级薄膜工艺技术的市场领导者。

用于下一代电源转换的GAN E-HEMT

来自GaN Systems的高级总监Charles Bailley则认为GaN材料将会为下一代电源转换解决方案提供很好的思路与未来的发展方向。

消费电子、服务器,工业和汽车市场对于电源转换的不同的需求。之前LED和无线应用中的GaN让人们看到了将这项技术用于电源应用的希望。但是,要把GaN用在功率FET中曾经需要重大的工艺和器件开发,而这些开发已经延缓了相关产品的发展。此外,全新FET与之前使用的Si材料器件间的不同使得IC供应商和系统设计人员不得不小心前行,逐步解决设计难题。

基于GaN的开关功率晶体管可实现全新电源应用,与之前使用的硅材料 (Si) 晶体管相比,在高压下运转时,性能更高,损耗更低。GaN的高频操作特性可以在保持高效率的同时提高性能。

目前,电源设计人员正在重新思考他们设计的电路,试图寻找能充分发挥全新GaN晶体管潜能又能避免负面影响的方法来创造电源系统。

全球人口数量的不断增长和快速发展,对电力的需求持续增加,与此同时,环境问题也需要我们在提高能源使用效率方面做出更大努力。随着我们不断地尝试满足这些需求,我们的家园将从这些创新中受益,帮助我们更高效地传送、转换和使用电力资源,而这些技术也将改进和提升我们的生活品质。

GaN就是这样一种创新,通过最大限度地降低电力转换方面的功率损耗,它必将提高我们的能源使用效率。

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