聚焦第三代半导体——碳化硅与氮化镓.docx

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1、聚焦第三代半导体碳化硅与氮化绿目录?前言1?第三代半导体关键技术一一氮化钱、碳化硅2?什么是第三代半导体和宽能隙2?第三代半导体的神话3?SiC和GaN各有各的优势和不同的发展领域4?罗姆在“SiC”功率元器件领域的飞跃发展6?罗姆在“GaN”功率元器件领域的前沿探索9?;术语解说12前言在功率元器件的发展中，主要半导体材料当然还是Si。同样在以Si为主体 的LSl世界里，在“将基本元件晶体管的尺寸缩小到lk,同时将电压也降低到 lk,力争更低功耗”的指导原理下，随着微细加工技术的发展，实现了开关更 加高速、大规模集成化。在功率元器件领域中，微细加工技术的导入滞后数年, 需要确保工作电压的极限

2、(耐压)并改善模拟性能。但是，通过微细化可以改善的 性能仅限于IOOV以下的低耐压范围，在需要更高耐压的领域仅采用微细加工无 法改善性能，因此，就需要在结构上下工夫。21世纪初，超级结(SJ)-MOSFET注 进入实用阶段，实现了超过MOSFET性能极限的性能改善。然而，重要的特性一一低导通电阻、栅极电荷量与耐压在本质上存在权衡 取舍的关系。在功率元器件中有成为单元的晶体管，将多个单元晶体管并联可 获得低导通电阻。但这种做法需要同时并联寄生于晶体管的电容，导致栅极电 荷量上升。为了避免栅极电荷上升而进行微细化即将1个单元变小的话，耐压 能力又会下降。作为解决这个问题的手法，除了像SJ-MOSF

3、Et 一样通过结构改善来提高性 能，还通过变更材料来提高性能，就是使用了碳化硅(SiC)注牙和GaN注3：这类宽 禁带(WBG)半导体注4：的功率元器件。WBG材料的最大特点如表1所示，其绝缘 击穿电场强度较高。只要利用这个性质，就可提高与Si元件相同结构时的耐压 性能。只要实现有耐压余量的结构，将这部分单元缩小、提高集成度，就可降 低导通电阻。本稿中将具体解说罗姆在uSiC与“GaN”功率元器件领域的探索与发展。第三代半导体关键技术氮化株、碳化硅随着全球进入物联网、5G、绿色能源和电动汽车时代，能够充分展现高电 压、高温和高频能力、满足当前主流应用需求的宽禁带半导体高能量转换效率 半导体材料

4、开始成为市场宠儿，开启了第三代半导体的新纪元。什么是第三代半导体和宽能隙在半导体材料领域，第一代半导体是“硅”(Si),第二代半导体是“碑化钱” (GaAs),第三代半导体(又称“宽禁带半导体，WBG)是“碳化物”。硅(SiC) 和氮化钱(GaN)。宽禁带半导体中的“能隙”，用最通俗的话来说，代表“一个能隙”，意 思是“使半导体从绝缘变为导电所需的最小能量”。图1第三代半导体第一代和第二代半导体的硅和碑化钱是低能隙材料，其值分别为1.12 eV和 1.43 eVo第三代半导体SiC和GaN的能隙分别达到3.2eV和3.4eVo因此,当遇 到高温、高压、大电流时，与第一代、第二代相比，第三代半导

5、体不会轻易从 绝缘转变为导电，具有更稳定的特性和更好的能量转换。第三代半导体的神话随着5G和电动汽车时代的到来，科技产品对高频、高速计算、高速充电的 需求越来越高。硅和碑化钱的温度、频率和功率已经达到极限，很难再提高功 率和速度。一旦工作温度超过100。前两代产品更容易出现故障，因此无法在 更恶劣的环境中使用。止匕外，全球也开始重视碳排放问题，因此高能效、低能 耗的第三代半导体成为时代新宠。KeepTops的第三代半导体在高频下仍能保持优异的性能和稳定性，并具有 开关速度快、体积小、散热快等特点。模块和冷却系统的体积。很多人认为， 第三代半导体和先进制造工艺一样，都是从第一代和第二代半导体的技

6、术中积 累起来的，但事并非如此。从图上看，这三代半导体实际上是并行的，各自发 展自己的技术。由于中国、美国、欧盟都在积极发展第三代半导体，中国台湾 作为半导体产业链的关键之一，势必要跟上这股潮流。鹿掇训命瓢秦疆葬图2氮化钱SiC和GaN各有各的优势和不同的发展领域在了解前三代半导体的区别之后，我们接下来重点介绍第三代半导体一SiC 和GaN的材料。两种材料的应用领域略有不同。目前，KeepTops的GaN元器 件通常用于电压低于900V的领域，如充电器、底座、5G通信相关等高频产品。 SiC用于电压大于L200 V的电压，如电动汽车相关应用。碳化硅是由硅(Si)和碳(C)组成，具有很强的结合力

7、，热、化学和机械稳定性 好。KeePTOPS以SiC其低损耗、高功率的特点，适用于电动汽车、电动汽车充 电基础设施、太阳能和海上风力发电等绿色能源发电设备的高压、大电流应用 场合。止匕外，SiC本身是一种“同质外延”技术，因此具有良好的质量和良好的元 件可靠性。这也是电动车选择使用它的主要原因。另外，它是一个垂直分量， 所以功率密度很高。如今，电动汽车的电池动力系统以200V450V为主，高端车型将向800V 方向发展，这将是碳化硅的主要市场。然而，SiC晶片的制造难度很大，用于晶 体生长的源晶体要求很高，而且很难获得。止匕外，晶体生长技术难度大，目前 无法实现大规模生产。GaN是生长在不同衬

8、底如SiC或Si衬底上的横向元件。这是一种“异质外 延”技术。生产的GaN薄膜质量很差。虽然它可以用于快速充电等消费领域， 但它在电动汽车中使用。还是业界存在一些疑问，这也是厂商们急于突破的方 向。更小体积强抗51射治深圳市凯泰电子图3氮化钱KeepTos氮化钱的应用领域包括高压功率元件(POWer)和高频元件(RF)。电 源经常被用作电源转换器和整流器，而常用的蓝牙、Wi-Fi. GPS定位等都是 射频元件的应用。在衬底工艺方面，GaN衬底的生产成本相对较高，因此GaN 元件都是以硅为基础的。常见的GaN工艺技术应用，如上面提到的GaN射频元 件和功率GaN,都来自于GaN-On-Si衬底技

9、术。至于GaN-On-SiC衬底技术，由 于碳化硅衬底(SiC)的制造难度较大，该技术主要掌握在CREE、II-Vl和ROHM 等国际厂商手中。第三代半导体虽然在性能方面有更好的表现，但其技术门槛更高。并不是 所有的电子元件和技术应用都需要如此高的性能，因此第三代半导体不会完全 取代以前的半导体。第二代被老一代替代后，原则上第三代将各自在不同领域 发挥重要作用。基本上，第一代将集中于逻辑集成电路、存储器集成电路、微 元器件集成电路和用于计算机和消费电子产品的模拟集成电路，二代将聚焦移 动通信领域射频芯片，三代最大驱动力从5G、物联网、绿色能源、电动汽车、 卫星通信和军工来看，高频射频元器件和大

10、功率功率功率半导体元器件是主要 应用领域。其中，5G和电动汽车被认为是加速发展第三代半导体的最大动力。?.罗姆在“SiC”功率元器件领域的飞跃发展SiC（碳化硅）功率元器件是以碳和硅的化合物一一碳化硅作为原材料制作而 成。与以往的硅材料功率元器件相比，具有低导通电阻、高速开关、高温作业 的特点，所以许多研究机构和厂商将其视为新一代功率元器件，一直致力于对 它的研发。由于其出色的性能，一直以“理想器件”备受期待的SiC功率器件近 年来已得以问世。罗姆已批量生产SiC二极管和SiC-MoSFET,并于2012年3 月开始批量生产内置上述两种元器件的功率模块。作者:罗姆 1SiaSBD（碳化硅肖特基

11、势垒二极管）：性能提升的第二代产品陆续登场SiC -SBD于2001年首次在世界上批量生产以来，已经过去10多年。罗姆 从2010年开始在日本国内厂商中首次批量生产SiC-SBD,并且已经在各种机器 中得到采用。与以往的Si-FRD（快速恢复二极管）相比，SiC-SBD可以大幅缩短反 向恢复时间，因此恢复损耗可以降低至原来的三分之一。充分利用这些特性， 在各种电源的PFC电路（连续模式PFC）和太阳能发电的功率调节器中不断得到 应用。另外，罗姆备有耐压600V、1200V的Sic-SBD产品线。并且将相继销售性 能升级的第二代SiC-SBD。第二代SiC-SBD与以往产品相比，具有原来的短反向

12、 恢复时间的同时，降低了正向电压。通常降低正向电压，则反向漏电流也随之 增加。罗姆通过改善工艺和元器件结构，保持低漏电流的同时，成功降低了正 向电压。正向上升电压也降低了 0l015V,因此尤其在低负载状态下长时间工 作的机器中效率有望得到提高。Sic-MOSFET：有助于机器节能化、周边零部件小型化发展相对于不断搭载到各种机器上的SiC-SBD, SiC-MOSFET的量产化，在各种 技术方面显得有些滞后。2010年12月，罗姆在世界上首次以定制品形式量产 SiC-MOSFETo而且，从7月份开始，相继开始量产120OV耐压的第二代 SiC-MOSFET “SCH 系歹广、SCT 系列”。以

13、往SiC-MOSFET由于体二极管通电引起特性劣化（MoSFET的导通电阻、 体二极管的正向电压上升），成为量产化的障碍。然而，罗姆改善了与结晶缺陷 有关的工艺和器件结构，并在2010年量产时克服了 SiC-MOSFET在可靠性方面 的难题。1200V级的逆变器和转换器中一般使用Si材质IGBTo SiC-MOSFET由于不 产生Si材质IGBT上出现的尾电流（关断时流过的过渡电流），所以关断时开关损 耗可以减少90%,而且可实现50kHz以上的驱动开关频率。因此，可实现机器的节能化及散热片、电抗器和电容等周边元器件的小型 化、轻量化。特别对于以往的Si材质IGBT,开关损耗比导通损耗高，在这

14、种应 用中进行替换，将具有良好效果。“全SiC”功率模块：IoOkHZ以上高频驱动、开关损耗降低现在，120OV级的功率模块中，Si材质IGBT和FRD组成的IGBT模块被广 泛应用。罗姆开发了搭载SiC-MoSFET和Sic-SBD的功率模块（1200V/100A半 桥结构，定制品）以替换以往的硅材质器件，并从3月下旬开始量产、出货。通 用品（1200V/120A半桥结构）也将很快量产。作为替换硅材质器件,搭载SiC-MOSFET和SiC-SBD的模块,可实现IOOkHz 以上的高频驱动。可大幅降低IGBT注夕尾电流和FRD注&恢复电流引起的开关 损耗。因此，通过模块的冷却结构简化（散热片的

15、小型化，水冷却、强制空气冷 却的自然空气冷却）和工作频率高频化，可实现电抗器和电容等的小型化。另外，由于开关损耗低，所以适于20kHz及更高开关频率的驱动，在此情 况下，也可以用额定电流120A的SiC模块替换额定电流200-400A的IGBT模 块。今后：罗姆将全面推动SiC元器件的普及相对于已经具有大量采用实绩的SiC-SBD而言，SiC-MOSFET和全SiC功率 模块的真正采用现在才开始。相对以往硅材质器件的性能差别和成本差别的平 衡将成为SiC器件真正普及的关键。罗姆在两个方面进行着技术开发：基于 SiC电路板大口径化，降低SiC器件成本相对硅材质器件，开发在性能上具有 绝对优势的新

16、一代SiC器件。今后，罗姆将通过扩大普及SiC器件，助力于全球 范围内实现节能和减少CO 2的排放?.罗姆在ttGaNn功率元器件领域的前沿探索GaN功率元器件是指电流流通路径为GaN的元器件。“GaN”曾被作为发 光材料进行过研究，现在仍然作为已普及的发光二极管(LED)照明的核心部件蓝 色LED用材料广为使用。同时，还有一种称为“WBG”的材料，与发光元件应 用几乎同一时期开始研究在功率元器件上的应用，现已作为高频功率放大器进 入实用阶段。GaN与Si和SiC元件的不同之处在于元件的基本“形状” o图1为使用GaN 的电子元器件的一般构造。晶体管有源极、栅极、漏极3个电极，Si和SiC功 率元器件称为“纵向型”，一般结构是源极和栅极在同一面，漏极电极在