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

 

最大的問(wèn)題之一是電源 IC 制造商如何保證接近 100% 的可靠性，同時(shí)將汽車半導(dǎo)體的缺陷率降至最低。使新發(fā)展復(fù)雜化的是需要顯著降低這些芯片的成本以使電動(dòng)汽車對(duì)普通消費(fèi)者更具吸引力，制造商開(kāi)始通過(guò)從目前的 150 毫米晶圓轉(zhuǎn)向更大的 200 毫米晶圓尺寸來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

 

對(duì)于那些成功擴(kuò)大 GaN在電動(dòng)汽車以及許多其他消費(fèi)類和智能手機(jī)快速充電應(yīng)用中的應(yīng)用的人來(lái)說(shuō)，回報(bào)將是巨大的。Yole Développement 最近的一份報(bào)告估計(jì)，到 2026 年，僅 GaN 消費(fèi)手機(jī)電源市場(chǎng)就將達(dá)到 5.97 億美元，2020-2026 年的復(fù)合年增長(zhǎng)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(yù)計(jì)到 2025 年，GaN 解決方案在快速充電市場(chǎng)的滲透率將達(dá)到 52%。

 

因?yàn)榻裉焖械?GaN 功率器件都是橫向的，而不是垂直的，如果應(yīng)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(kāi)關(guān)電源和電池供電應(yīng)用產(chǎn)品和系統(tǒng)工程總監(jiān) GeorgeLiang 指出，提高擊穿電壓還需要相應(yīng)地更大的芯片面積和更厚的外延層。

 

Yole 化合物半導(dǎo)體和新興襯底技術(shù)和市場(chǎng)分析師 Taha Ayari 表示，GaN 在不同市場(chǎng)的滲透率將根據(jù)每種應(yīng)用的要求而有所不同。“總的來(lái)說(shuō)，GaN 器件的剩余挑戰(zhàn)是可靠性和性能接受度、價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力，以及用于高功率應(yīng)用的高壓器件的開(kāi)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(huì)在 GaN 層中產(chǎn)生致命缺陷。所以它需要一個(gè)復(fù)雜的緩沖層和外延層。”

 

Ayari 指出，外延通常與制造商開(kāi)發(fā)的內(nèi)部工藝有關(guān)，這使得外延標(biāo)準(zhǔn)化相當(dāng)棘手。此外，價(jià)格壓力和更高的產(chǎn)量需求正在推動(dòng)行業(yè)從傳統(tǒng)的六英寸平臺(tái)過(guò)渡到八英寸平臺(tái)，這將需要更多的外延開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻性和更高的良率，他說(shuō)。

 

GaN 對(duì)高端電壓有實(shí)際限制，應(yīng)用僅限于 900V。4 月，Imec 和沉積設(shè)備供應(yīng)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(zhǎng)，適用于 1,200V 應(yīng)用，硬擊穿電壓超過(guò) 1,800V。如果這一發(fā)展被證明是可行的，它將在電動(dòng)汽車中開(kāi)辟更高電壓的 GaN 應(yīng)用，而以前只有基于 SiC 的技術(shù)才有可能。

 

 

今天，在 Si 或藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)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(guān)注低電流和 650V 左右的電壓，Ahmed Ben Slimane 指出，技術(shù)和Yole 的市場(chǎng)分析師。“對(duì)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(shuō)。“然而，這些新興基板的供應(yīng)鏈仍在開(kāi)發(fā)中，數(shù)量少、價(jià)格高，最終用戶可能需要時(shí)間來(lái)采用新技術(shù)。”

 

硅基氮化鎵和藍(lán)寶石上氮化鎵的生產(chǎn)仍存在關(guān)鍵的制造障礙。“隨著 GaN 在消費(fèi)者中的采用，需要以更低的價(jià)格進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)和更高的產(chǎn)量。這意味著向更大的晶圓尺寸過(guò)渡，”Ben Slimane 補(bǔ)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(jì)劃在未來(lái)幾年遷移到 8 英寸（英飛凌、Nexperia 和臺(tái)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(shù)挑戰(zhàn)。對(duì)于 GaN-on-sapphire，根據(jù)行業(yè)反饋，不太可能轉(zhuǎn)向 8 英寸；6” 很可能仍然是藍(lán)寶石上 GaN 的主流平臺(tái)，只有 Power Integrations 是領(lǐng)先者。”

 

與其他半導(dǎo)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(shuō)，制造商依靠檢測(cè)技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證他們的產(chǎn)品。

 

GaN器件制造商也面臨著測(cè)試和檢驗(yàn)問(wèn)題。

 

Bruker Nano Surfaces 的技術(shù)營(yíng)銷人員 Ingo Schmitz 表示：“在汽車領(lǐng)域，功率半導(dǎo)體是一個(gè)突然需要零缺陷的領(lǐng)域。“他們有所有這些需求，而過(guò)去非常簡(jiǎn)單的設(shè)備，如 MOSFET，過(guò)去非常便宜，以至于你買不起計(jì)量。今天，情況不同了。”

 

安全關(guān)鍵的可靠性要求給這些市場(chǎng)中使用的所有芯片帶來(lái)了挑戰(zhàn)，尤其是那些涉及新材料的芯片，同時(shí)也為可以幫助解決這些挑戰(zhàn)的公司提供了機(jī)會(huì)。“在汽車領(lǐng)域，芯片在晶圓級(jí)、芯片級(jí)和封裝級(jí)進(jìn)行了多次測(cè)試，” KLA執(zhí)行副總裁 Oreste Donzella 說(shuō)。電子、包裝和組件集團(tuán)。“然后你做老化，你做可靠性測(cè)試，你再次測(cè)試，然后你有記錄。但是，當(dāng)您撞車時(shí)，您仍然可能會(huì)遇到安全氣囊故障，因?yàn)槟陌踩珰饽铱刂浦械男酒黄鹱饔谩＿@是因?yàn)闈撛诘娜毕菀刺用摿藴y(cè)試，要么因?yàn)闇y(cè)試不是 100% 有效，要么是因?yàn)檫@些故障是在汽車在非常惡劣的環(huán)境中運(yùn)行期間被激活的。”

 

這就是事情變得具有挑戰(zhàn)性的地方，因?yàn)榉乐勾祟惾毕菟璧臏y(cè)試和檢查量正在增加。這些過(guò)程需要更長(zhǎng)的時(shí)間、更高的成本并產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，因此需要高級(jí)分析來(lái)識(shí)別問(wèn)題。即便如此，用于比較 GaN 和碳化硅等材料的歷史和數(shù)據(jù)也較少。

 

“我們通過(guò)在晶圓廠檢查和測(cè)試中進(jìn)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(shuō)。“這就是 I-PAT（在線缺陷部件平均測(cè)試）適合的地方，因?yàn)槠渲幸恍?EV 材料缺乏成熟度和數(shù)據(jù)。我們正在根據(jù)硅結(jié)果對(duì)它們進(jìn)行測(cè)量，但它們與硅的水平不同。”

 

 

 

圖 1：識(shí)別潛在缺陷。資料來(lái)源：KLA

 

對(duì)缺陷的大小進(jìn)行分類至關(guān)重要。“在外延層面，早期檢測(cè)致命缺陷并在不同的外延失效機(jī)制和動(dòng)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(shí)間，”Ben Slimane 說(shuō). “有幾種技術(shù)，例如光學(xué)技術(shù)，可用于缺陷檢測(cè)。最常見(jiàn)的是光致發(fā)光和 X 射線，用于計(jì)量檢測(cè)外延層均勻性、鋁成分和缺陷。在器件層面，老化和時(shí)間相關(guān)的介電擊穿(TDDB) 用于測(cè)試器件的可靠性。”

 

盡管 GaN 在許多應(yīng)用中的可靠性得到證實(shí)，但測(cè)試方法仍需要標(biāo)準(zhǔn)化。“很難提供所有設(shè)備通用的測(cè)試條件，因?yàn)椴煌慕Y(jié)構(gòu)容易由于不同的機(jī)制而出現(xiàn)故障，”BenSlimane 說(shuō)。“在這種情況下，JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)和 AEC-Q101 汽車認(rèn)證正在適應(yīng)新的測(cè)試方法，這對(duì)于制定測(cè)量?jī)?nèi)容和方式的指南至關(guān)重要。此外，公司正在開(kāi)發(fā)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)或基于物理的模型，以向汽車原始設(shè)備制造商和一級(jí)供應(yīng)商等具有更高可靠性要求的客戶提供服務(wù)。”

 

盡管如此，GaN 市場(chǎng)仍在繼續(xù)增長(zhǎng)。例如，高效電源轉(zhuǎn)換 (EPC) 提供的 GaN 器件被用于100 多種新興應(yīng)用。EPC 的首席執(zhí)行官 AlexLidow 認(rèn)為，硅上 GaN 已經(jīng)超過(guò)了大多數(shù)應(yīng)用的臨界點(diǎn)。

 

“剩下的制造障礙很少，”利多說(shuō)。“GaN 器件是在標(biāo)準(zhǔn)制造設(shè)施中使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備與硅器件并排生產(chǎn)的。隨著新一代設(shè)備的出現(xiàn)，成本將顯著下降的一個(gè)領(lǐng)域是 GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的 MOCVD 外延生長(zhǎng)。GaN 器件仍遠(yuǎn)未達(dá)到其理論性能極限，因此隨著邊界越來(lái)越遠(yuǎn)離老化的硅 MOSFET，可能會(huì)出現(xiàn)新的制造挑戰(zhàn)。”

 

目前，過(guò)渡到200mm

 

更大的晶圓仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，但該行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始從 150mm 晶圓過(guò)渡到 200mm 用于 GaN 生產(chǎn)。“的確，GaN 和硅基器件在功率和射頻應(yīng)用中非常成熟，” Lam Research客戶支持業(yè)務(wù)集團(tuán)戰(zhàn)略營(yíng)銷董事總經(jīng)理 David Haynes 說(shuō)。“但這主要是在 6 英寸或更小的晶圓上，對(duì)于許多基于 GaN 的器件，在藍(lán)寶石和 SiC 等襯底上。”

 

海恩斯說(shuō)，正在向 200 毫米晶圓加工進(jìn)行重大轉(zhuǎn)變，這將提高這些技術(shù)與主流半導(dǎo)體加工的兼容性，并提高其在更先進(jìn)或更大容量應(yīng)用中的使用經(jīng)濟(jì)性。“SiC 正在向 200mm 遷移，隨著200mm 晶圓成本和可用性的提高，產(chǎn)量將在未來(lái)兩到三年內(nèi)增加。”

 

然而，這更像是一種經(jīng)濟(jì)優(yōu)化，而不是根本性的變化。“GaN 已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段，”英飛凌的 Liang 指出。“所以沒(méi)有真正的障礙，而是持續(xù)改進(jìn)。轉(zhuǎn)向 200 毫米生產(chǎn)將是一個(gè)關(guān)鍵的里程碑。藍(lán)寶石是英飛凌考慮過(guò)的一種可行的基板，但由于其導(dǎo)熱性差等問(wèn)題，目前并未追求。”

 

梁補(bǔ)充說(shuō)，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(duì)謹(jǐn)慎，”他說(shuō)。“在考慮任何新技術(shù)時(shí)，總是會(huì)擔(dān)心可靠性或其他未知因素。但是隨著行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)（例如來(lái)自 JEDEC），以及試點(diǎn)項(xiàng)目證明了 OEM 的價(jià)值和可靠性，在過(guò)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(chǎn)品領(lǐng)域，似乎每周都會(huì)發(fā)布新的基于 GaN 的高性能適配器。我們相信，這也是引導(dǎo)更保守的工業(yè)部門采用的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。”

 

Navitas Semiconductor 使用商品硅晶片生產(chǎn)硅基 GaN，以節(jié)省成本。“我們和 GaN 領(lǐng)域的幾乎所有其他人一樣，都在做 GaN on Silicon，”Navitas 負(fù)責(zé)營(yíng)銷和投資者關(guān)系的公司副總裁 Stephen Oliver 說(shuō)。“我們從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的商品硅晶片開(kāi)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(dòng)作都在里面微小的，微小的層。”

 

Oliver 說(shuō)，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(jìn)的材料，但你可以在非常舊的設(shè)備上制造它。”

 

Navitas 目前在六英寸設(shè)備上生產(chǎn)硅基氮化鎵。“我們的代工合作伙伴臺(tái)積電（TSMC）表示，他們將生產(chǎn) 8 英寸，但現(xiàn)在我們?cè)诰A上獲得的芯片數(shù)量是硅芯片的五倍，因?yàn)槊科椒矫娣e的性能，即傳導(dǎo)，當(dāng)您還包括我們做電源IC的事實(shí)時(shí)。因此，我們擁有柵極驅(qū)動(dòng)、ESD 保護(hù)二極管、電平轉(zhuǎn)換、電流感應(yīng)和自主保護(hù)。這是一個(gè)真正的功率IC。”

 

過(guò)渡到 8 英寸設(shè)備即將到來(lái)。“我猜這可能是一兩年之后，”奧利弗說(shuō)。“不過(guò)時(shí)間不長(zhǎng)。”

 

 

Transphorm 總裁Primit Parikh 認(rèn)為，GaN 器件的大部分產(chǎn)品、質(zhì)量和制造風(fēng)險(xiǎn)已基本消除，“這就是為什么您會(huì)看到 GaN 在這些領(lǐng)域得到廣泛采用——來(lái)自多家制造商的低功率快速充電器，特別是來(lái)自 Transphorm 的高功率段。也就是說(shuō)，GaN 作為一種半導(dǎo)體材料可以提供更多的東西。在 Transphorm，我們有一個(gè)持續(xù)的技術(shù)和產(chǎn)品路線圖，以使 GaN 更接近其最終材料極限的潛力，其品質(zhì)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(chǎn)品在這里和那里來(lái)自其他產(chǎn)品，”Parikh 補(bǔ)充道。“市場(chǎng)將受益于更多擁有固體產(chǎn)品的供應(yīng)商，就像 SiC 市場(chǎng)一樣。我們的目標(biāo)將是繼續(xù)在我們參與的每個(gè)細(xì)分市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位或躋身前幾名。”

 

Parikh 說(shuō)，對(duì)于未來(lái)的器件，GaN的基本品質(zhì)因數(shù)（給定半導(dǎo)體尺寸的持續(xù)電壓）非常高，與 SiC 相似。“對(duì)于實(shí)際的橫向 GaN 器件，高達(dá)1,200V 的應(yīng)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(shí)要注意的一點(diǎn)是開(kāi)關(guān)功能。您可以通過(guò)糟糕的開(kāi)關(guān)獲得盡可能高的擊穿率，這在真實(shí)設(shè)備中是沒(méi)有用的。Transphorm 團(tuán)隊(duì)非常了解這一點(diǎn)并進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)。例如，幾年前，我們?cè)谖覀兊腁RPA-E 計(jì)劃下展示了 1,800 V+ 擊穿雙向設(shè)備，因此這當(dāng)然是可以實(shí)現(xiàn)的。”

 

Parikh 說(shuō)，Transphorm擁有多個(gè)處于生產(chǎn)或開(kāi)發(fā)階段的 GaN 平臺(tái)。“Transphorm在市場(chǎng)上擁有高達(dá) 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(yù)見(jiàn)的未來(lái)，在實(shí)際功率器件中并不需要 GaN-on-GaN，”Parikh說(shuō)。“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(quán)力都交給了追求 GaN-on-GaN 襯底的人們。”

 

Parikh 補(bǔ)充說(shuō)，關(guān)于測(cè)試/檢查問(wèn)題，很大程度上取決于每家公司如何設(shè)置他們的晶圓和/或封裝測(cè)試規(guī)范和流程，以確保高質(zhì)量的產(chǎn)品。“一個(gè)重要的項(xiàng)目是評(píng)估高壓下的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)或‘導(dǎo)通’電阻性能，因?yàn)殚L(zhǎng)期以來(lái)，許多GaN 供應(yīng)商沒(méi)有充分意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，因此也沒(méi)有充分意識(shí)到它的測(cè)量。多年來(lái)，我們一直致力于簡(jiǎn)化一系列專有的晶圓上和封裝產(chǎn)品直流和交流測(cè)量?，F(xiàn)在，還可以使用來(lái)自各種測(cè)試設(shè)備提供商的相當(dāng)好的測(cè)試人員。檢查再次是您的外延材料和晶圓廠材料的晶圓質(zhì)量的一項(xiàng)功能。

 

 

隨著當(dāng)前許多向 200mm 過(guò)渡以降低成本的舉措正在進(jìn)行中，GaN 用于功率半導(dǎo)體的廣泛采用可能會(huì)給當(dāng)前和未來(lái)的混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車、消費(fèi)電子產(chǎn)品、智能手機(jī)和其他使用GaN寬帶隙功率半導(dǎo)體技術(shù)。然而，關(guān)于制造商能否充分降低成本并穩(wěn)定更具未來(lái)感的 GaN 技術(shù)版本的可制造性的問(wèn)題仍然存在。