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第四代半导体氧化镓在功率领域应用的前景

2022-04-23 10:42:59

目前业界对SiC和GaN等材料的性能及在功率领域应用优势分析较多 ,一般会提到芯片成本是硅基产品的五到八倍等结论,而对于为何会有这样差距的原因探讨得较浅。本文意在提供更多直接的数据来帮助大家有更深入的认识,从而全面的分析一种材料技术的改进难度,以及新材料导入市场所主要考虑的因素。

1、衬底制造环节的分析

(1)晶片尺寸:三种材料目前的尺寸基本相当,即单片衬底的芯片产出相差不大(GaO器件做成垂直器件相对会更小,此处差异忽略不计)。SiC已有8寸单晶衬底、GaN(自支撑)目前有4寸量产产品,6寸样品刚进入市场,未量产暂时未考虑。

(2)设备投入(晶体生长炉+坩埚+晶体加工设备):GaO设备投入每条产线投入约350万,SiC设备投入每条产线550万,GaN设备投入每条产线800万。

(3)生产效率:GaO每月可产出8炉,年产80炉,可产800片,边角料短期内还可切成10mm * 10mm的小片销售给科研单位研究用,每炉100片,年产8000片小片。SiC每月可产4炉,年产40炉,可产400片,不能按小片销售,且良率按30%算约为120片。GaN自支撑衬底产量更小。在材料学领域,一般以2100℃作为晶体生长的分界线,低于此温度可以使用常规的设备,一旦工艺温度超过该界限,则需使用加热、保温等完全不同的材料体系,即完全不同的特殊设备,价格要比常规设备高出数倍。PVT-SiC

晶体生长温度高达2400℃,且跟GaN一样,无法通过可视化窗口观察生长过程进行控制,因此设备价格、加工能耗、良品率都较低,导致这两种衬底材料成本高企不下。而GaO的衬底成本约为SiC的1/3~1/5,具有明显的成本优势。液相法SiC解决了PVT法不可视良率低、需要高温、缺陷密度高、只能做N型的问题,实现高良率、低能耗、高品质、可生产P型等效果,即低成本、但同时也会极大促进SiC产品的应用,可能会对GaO市场推动也带来一定影响。

第四代半导体氧化镓在功率领域应用的前景

关于液相SiC和无铱GaO这两种优势技术来说,需要补充的是:

① 晶体

液相SiC长成的晶体为正六方型,即使达到6寸,也只能切成4寸使用,造成很大的浪费,尺寸越大浪费越多。

无铱GaO晶体是圆柱形,可直接切成同直径圆盘。

② 成本

预计当技术成熟时,即良率相同的情况下,碳化硅比氧化镓的成本至少贵30%,而且尺寸越大,成本差距越明显,氧化镓优势越大。 氧化镓

③ 优势

目前液相SiC技术尚处在实验室阶段,从理论上看,该技术生成的SiC晶体质量会更高,不仅位错降一个数量级,而且因成品率提高(液相SiC天然较气相SiC成品率高),使得成本差不多相较当前的气相法SiC能降50%。而且与无铱GaO一样的是,尺寸越大成本降低越明显。

④ 瓶颈

工艺温度为1700~1800℃,而此前由于SiC材料在温度还未达到熔点融化就升华了。日本、国内某研究所以及我国某创业公司的技术路线基本相同,未来主要区别在于技术细节的把控和对下列问题的解决:

一是生产中炉内缺乏可视系统,导致成品率无法保证,尤其是籽晶接触液面缺乏探测手段,籽晶很薄只有1毫米,过浅尚未接触无法结晶,过深没入液面无法生长,需要特殊的控制手段。

二是溶剂,碳在溶剂里面溶解度很低,如果超出就形成碳簇,会围绕碳簇形成多晶,导致生产失败,因此工艺上对热场和流场的要求很高,需要稳定和合理的工艺控制技术。

三是该技术SiC同样长不厚,仅几毫米厚,一般不超过10mm,还要留出3mm以上做下一炉生产的籽晶,因此实际生产效率提高不多,后续研发需要解决的关键问题是如何继续长厚,而且大规模生产中还需要开发自动配料系统,持续稳定供应合适的溶液。

2、 外延及芯片制造阶段的对比

(1)SiC、GaN的外延生长设备成本就明显要高出GaO材料数倍,且因为外延时间较短,thc≫tepi,即升温、降温的时间要远远大于实际外延生长时间,所以几种材料外延的速度差异并不明显,而且由于各家技术有差异,用途不同的外延也有些许差别,此处不做更深入的比较。目前各种材料的外延技术较为成熟,可以满足市场的需求。

(2)芯片加工阶段,由于GaO、SiC可以使用垂直结构,所以同等规格下,芯片面积较小,为便于比较,暂时忽略这种优势,三种材料在功率芯片加工过程的成本差异不大。综上,可以看出,GaO器件Z终成本低于SiC、GaN,且性能更好,具有独特的竞争优势。

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