隨著對新型汽車電池電動汽車 (BEV) 的需求升溫，汽車制造商正在尋找解決方案來滿足功率半導體嚴格的零缺陷目標。氮化鎵(GaN) 和碳化硅(SiC) 寬帶隙功率半導體為汽車制造商提供了一系列新的電動汽車解決方案，但如何滿足汽車行業(yè)嚴格的質量目標仍然存在問題。

 

最大的問題之一是電源 IC 制造商如何保證接近 100% 的可靠性，同時將汽車半導體的缺陷率降至最低。使新發(fā)展復雜化的是需要顯著降低這些芯片的成本以使電動汽車對普通消費者更具吸引力，制造商開始通過從目前的 150 毫米晶圓轉向更大的 200 毫米晶圓尺寸來解決這個問題。

 

對于那些成功擴大 GaN在電動汽車以及許多其他消費類和智能手機快速充電應用中的應用的人來說，回報將是巨大的。Yole Développement 最近的一份報告估計，到 2026 年，僅 GaN 消費手機電源市場就將達到 5.97 億美元，2020-2026 年的復合年增長率為 72%。隨著蘋果最近推出其 140W MagSafe 充電器，研究公司 TrendForce 表示，預計到 2025 年，GaN 解決方案在快速充電市場的滲透率將達到 52%。

 

因為今天所有的 GaN 功率器件都是橫向的，而不是垂直的，如果應用需要更高的電壓，在某些情況下 SiC 更有意義。英飛凌科技公司開關電源和電池供電應用產品和系統(tǒng)工程總監(jiān) GeorgeLiang 指出，提高擊穿電壓還需要相應地更大的芯片面積和更厚的外延層。

 

Yole 化合物半導體和新興襯底技術和市場分析師 Taha Ayari 表示，GaN 在不同市場的滲透率將根據每種應用的要求而有所不同。“總的來說，GaN 器件的剩余挑戰(zhàn)是可靠性和性能接受度、價格競爭力，以及用于高功率應用的高壓器件的開發(fā)。主要障礙之一仍然是硅襯底上 GaN 層的外延、晶格失配以及兩種材料之間的熱膨脹系數(shù)失配，這會在 GaN 層中產生致命缺陷。所以它需要一個復雜的緩沖層和外延層。”

 

Ayari 指出，外延通常與制造商開發(fā)的內部工藝有關，這使得外延標準化相當棘手。此外，價格壓力和更高的產量需求正在推動行業(yè)從傳統(tǒng)的六英寸平臺過渡到八英寸平臺，這將需要更多的外延開發(fā)來實現(xiàn)均勻性和更高的良率，他說。

 

GaN 對高端電壓有實際限制，應用僅限于 900V。4 月，Imec 和沉積設備供應商 AIXTRON 的研究人員宣布在 200 毫米 QST 基板上成功展示了 GaN 緩沖層的外延生長，適用于 1,200V 應用，硬擊穿電壓超過 1,800V。如果這一發(fā)展被證明是可行的，它將在電動汽車中開辟更高電壓的 GaN 應用，而以前只有基于 SiC 的技術才有可能。

 

 

今天，在 Si 或藍寶石襯底上生長的主要橫向 GaN HEMT 仍然容易受到表面擊穿和柵極泄漏電流的影響，因此一些廠商正在關注低電流和 650V 左右的電壓，Ahmed Ben Slimane 指出，技術和Yole 的市場分析師。“對于更高的電壓（>1,200V），其他新興襯底很有吸引力，例如 SOI、QST（該襯底用于 IMEC 的演示）或允許垂直 GaN 器件的塊狀 GaN，”他說。“然而，這些新興基板的供應鏈仍在開發(fā)中，數(shù)量少、價格高，最終用戶可能需要時間來采用新技術。”

 

硅基氮化鎵和藍寶石上氮化鎵的生產仍存在關鍵的制造障礙。“隨著 GaN 在消費者中的采用，需要以更低的價格進行大規(guī)模生產和更高的產量。這意味著向更大的晶圓尺寸過渡，”Ben Slimane 補充道。“截至2021 年，一些玩家擁有 8 英寸 GaN-on-Si 晶圓廠（Innoscience 和 X-fab）或計劃在未來幾年遷移到 8 英寸（英飛凌、Nexperia 和臺積電）。另一方面，GaN外延和工藝在厚度和Al成分均勻性、彎曲和翹曲以及良率損失方面存在技術挑戰(zhàn)。對于 GaN-on-sapphire，根據行業(yè)反饋，不太可能轉向 8 英寸；6” 很可能仍然是藍寶石上 GaN 的主流平臺，只有 Power Integrations 是領先者。”

 

與其他半導體一樣，GaN 柵極退化仍然是工藝層面需要克服的主要障礙之一。Ben Slimane 說，制造商依靠檢測技術來開發(fā)和驗證他們的產品。

 

GaN器件制造商也面臨著測試和檢驗問題。

 

Bruker Nano Surfaces 的技術營銷人員 Ingo Schmitz 表示：“在汽車領域，功率半導體是一個突然需要零缺陷的領域。“他們有所有這些需求，而過去非常簡單的設備，如 MOSFET，過去非常便宜，以至于你買不起計量。今天，情況不同了。”

 

安全關鍵的可靠性要求給這些市場中使用的所有芯片帶來了挑戰(zhàn)，尤其是那些涉及新材料的芯片，同時也為可以幫助解決這些挑戰(zhàn)的公司提供了機會。“在汽車領域，芯片在晶圓級、芯片級和封裝級進行了多次測試，” KLA執(zhí)行副總裁 Oreste Donzella 說。電子、包裝和組件集團。“然后你做老化，你做可靠性測試，你再次測試，然后你有記錄。但是，當您撞車時，您仍然可能會遇到安全氣囊故障，因為您的安全氣囊控制中的芯片不起作用。這是因為潛在的缺陷要么逃脫了測試，要么因為測試不是 100% 有效，要么是因為這些故障是在汽車在非常惡劣的環(huán)境中運行期間被激活的。”

 

這就是事情變得具有挑戰(zhàn)性的地方，因為防止此類缺陷所需的測試和檢查量正在增加。這些過程需要更長的時間、更高的成本并產生大量數(shù)據，因此需要高級分析來識別問題。即便如此，用于比較 GaN 和碳化硅等材料的歷史和數(shù)據也較少。

 

“我們通過在晶圓廠檢查和測試中進行更智能的采樣，幫助汽車行業(yè)尋找潛在的潛在缺陷，”Donzella說。“這就是 I-PAT（在線缺陷部件平均測試）適合的地方，因為其中一些 EV 材料缺乏成熟度和數(shù)據。我們正在根據硅結果對它們進行測量，但它們與硅的水平不同。”

 

 

 

圖 1：識別潛在缺陷。資料來源：KLA

 

對缺陷的大小進行分類至關重要。“在外延層面，早期檢測致命缺陷并在不同的外延失效機制和動態(tài) RdsON 之間建立聯(lián)系，可以幫助隔離有缺陷的芯片或晶圓并改善工藝控制，從而降低成本和節(jié)省時間，”Ben Slimane 說. “有幾種技術，例如光學技術，可用于缺陷檢測。最常見的是光致發(fā)光和 X 射線，用于計量檢測外延層均勻性、鋁成分和缺陷。在器件層面，老化和時間相關的介電擊穿(TDDB) 用于測試器件的可靠性。”

 

盡管 GaN 在許多應用中的可靠性得到證實，但測試方法仍需要標準化。“很難提供所有設備通用的測試條件，因為不同的結構容易由于不同的機制而出現(xiàn)故障，”BenSlimane 說。“在這種情況下，JEDEC 標準和 AEC-Q101 汽車認證正在適應新的測試方法，這對于制定測量內容和方式的指南至關重要。此外，公司正在開發(fā)內部數(shù)據庫或基于物理的模型，以向汽車原始設備制造商和一級供應商等具有更高可靠性要求的客戶提供服務。”

 

盡管如此，GaN 市場仍在繼續(xù)增長。例如，高效電源轉換 (EPC) 提供的 GaN 器件被用于100 多種新興應用。EPC 的首席執(zhí)行官 AlexLidow 認為，硅上 GaN 已經超過了大多數(shù)應用的臨界點。

 

“剩下的制造障礙很少，”利多說。“GaN 器件是在標準制造設施中使用標準設備與硅器件并排生產的。隨著新一代設備的出現(xiàn)，成本將顯著下降的一個領域是 GaN 異質結構的 MOCVD 外延生長。GaN 器件仍遠未達到其理論性能極限，因此隨著邊界越來越遠離老化的硅 MOSFET，可能會出現(xiàn)新的制造挑戰(zhàn)。”

 

目前，過渡到200mm

 

更大的晶圓仍然是一個挑戰(zhàn)，但該行業(yè)已經開始從 150mm 晶圓過渡到 200mm 用于 GaN 生產。“的確，GaN 和硅基器件在功率和射頻應用中非常成熟，” Lam Research客戶支持業(yè)務集團戰(zhàn)略營銷董事總經理 David Haynes 說。“但這主要是在 6 英寸或更小的晶圓上，對于許多基于 GaN 的器件，在藍寶石和 SiC 等襯底上。”

 

海恩斯說，正在向 200 毫米晶圓加工進行重大轉變，這將提高這些技術與主流半導體加工的兼容性，并提高其在更先進或更大容量應用中的使用經濟性。“SiC 正在向 200mm 遷移，隨著200mm 晶圓成本和可用性的提高，產量將在未來兩到三年內增加。”

 

然而，這更像是一種經濟優(yōu)化，而不是根本性的變化。“GaN 已經進入量產階段，”英飛凌的 Liang 指出。“所以沒有真正的障礙，而是持續(xù)改進。轉向 200 毫米生產將是一個關鍵的里程碑。藍寶石是英飛凌考慮過的一種可行的基板，但由于其導熱性差等問題，目前并未追求。”

 

梁補充說，可靠性和成本是廣泛采用 GaN 功率器件的障礙。“直到最近，我們的 OEM 在采用GaN 的方法上一直相對謹慎，”他說。“在考慮任何新技術時，總是會擔心可靠性或其他未知因素。但是隨著行業(yè)標準的出現(xiàn)（例如來自 JEDEC），以及試點項目證明了 OEM 的價值和可靠性，在過去的一年中采用速度顯著加快。尤其是在便攜式充電器/適配器產品領域，似乎每周都會發(fā)布新的基于 GaN 的高性能適配器。我們相信，這也是引導更保守的工業(yè)部門采用的轉折點。”

 

Navitas Semiconductor 使用商品硅晶片生產硅基 GaN，以節(jié)省成本。“我們和 GaN 領域的幾乎所有其他人一樣，都在做 GaN on Silicon，”Navitas 負責營銷和投資者關系的公司副總裁 Stephen Oliver 說。“我們從一個標準的商品硅晶片開始——它是幾十美元，而碳化硅初始晶片是它的 20 倍——然后我們將非常薄的氮化鎵薄片沉積在頂部，然后所有的動作都在里面微小的，微小的層。”

 

Oliver 說，GaN 層約為 5 微米，硅基晶圓約為 1,000 微米。“GaN 真正酷的地方在于它是一種非常先進的材料，但你可以在非常舊的設備上制造它。”

 

Navitas 目前在六英寸設備上生產硅基氮化鎵。“我們的代工合作伙伴臺積電（TSMC）表示，他們將生產 8 英寸，但現(xiàn)在我們在晶圓上獲得的芯片數(shù)量是硅芯片的五倍，因為每平方面積的性能，即傳導，當您還包括我們做電源IC的事實時。因此，我們擁有柵極驅動、ESD 保護二極管、電平轉換、電流感應和自主保護。這是一個真正的功率IC。”

 

過渡到 8 英寸設備即將到來。“我猜這可能是一兩年之后，”奧利弗說。“不過時間不長。”

 

 

Transphorm 總裁Primit Parikh 認為，GaN 器件的大部分產品、質量和制造風險已基本消除，“這就是為什么您會看到 GaN 在這些領域得到廣泛采用——來自多家制造商的低功率快速充電器，特別是來自 Transphorm 的高功率段。也就是說，GaN 作為一種半導體材料可以提供更多的東西。在 Transphorm，我們有一個持續(xù)的技術和產品路線圖，以使 GaN 更接近其最終材料極限的潛力，其品質因數(shù)比現(xiàn)在高出數(shù)倍。

 

“此外，盡管有很多討論，但除了 Transphorm 之外，可行的更高功率 GaN 的可用性有限，禁止一些產品在這里和那里來自其他產品，”Parikh 補充道。“市場將受益于更多擁有固體產品的供應商，就像 SiC 市場一樣。我們的目標將是繼續(xù)在我們參與的每個細分市場中占據主導地位或躋身前幾名。”

 

Parikh 說，對于未來的器件，GaN的基本品質因數(shù)（給定半導體尺寸的持續(xù)電壓）非常高，與 SiC 相似。“對于實際的橫向 GaN 器件，高達1,200V 的應用（需要在 1,500 至 1,800V 左右擊穿）完全在路線圖中。判斷硬擊穿電壓出版物時要注意的一點是開關功能。您可以通過糟糕的開關獲得盡可能高的擊穿率，這在真實設備中是沒有用的。Transphorm 團隊非常了解這一點并進行了相應的設計。例如，幾年前，我們在我們的ARPA-E 計劃下展示了 1,800 V+ 擊穿雙向設備，因此這當然是可以實現(xiàn)的。”

 

Parikh 說，Transphorm擁有多個處于生產或開發(fā)階段的 GaN 平臺。“Transphorm在市場上擁有高達 900 伏特的硅基氮化鎵器件，我們也在研發(fā)1,200 伏特的器件，在可預見的未來，在實際功率器件中并不需要 GaN-on-GaN，”Parikh說。“總體而言，作為GaN 的企業(yè)家和粉絲，我不想放棄任何東西，因此所有的權力都交給了追求 GaN-on-GaN 襯底的人們。”

 

Parikh 補充說，關于測試/檢查問題，很大程度上取決于每家公司如何設置他們的晶圓和/或封裝測試規(guī)范和流程，以確保高質量的產品。“一個重要的項目是評估高壓下的動態(tài)開關或‘導通’電阻性能，因為長期以來，許多GaN 供應商沒有充分意識到這個問題，因此也沒有充分意識到它的測量。多年來，我們一直致力于簡化一系列專有的晶圓上和封裝產品直流和交流測量?，F(xiàn)在，還可以使用來自各種測試設備提供商的相當好的測試人員。檢查再次是您的外延材料和晶圓廠材料的晶圓質量的一項功能。

 

 

隨著當前許多向 200mm 過渡以降低成本的舉措正在進行中，GaN 用于功率半導體的廣泛采用可能會給當前和未來的混合動力和電動汽車、消費電子產品、智能手機和其他使用GaN寬帶隙功率半導體技術。然而，關于制造商能否充分降低成本并穩(wěn)定更具未來感的 GaN 技術版本的可制造性的問題仍然存在。