GaN功率半导体问题及挑战

随着对新型汽车电池电动汽车 (BEV) 的需求升温，汽车制造商正在寻找解决方案来满足功率半导体严格的零缺陷目标。氮化镓(GaN) 和碳化硅(SiC) 宽带隙功率半导体为汽车制造商提供了一系列新的电动汽车解决方案，但如何满足汽车行业严格的质量目标仍然存在问题。

最大的问题之一是电源 IC 制造商如何保证接近 100% 的可靠性，同时将汽车半导体的缺陷率降至最低。使新发展复杂化的是需要显着降低这些芯片的成本以使电动汽车对普通消费者更具吸引力，制造商开始通过从目前的 150 毫米晶圆转向更大的 200 毫米晶圆尺寸来解决这个问题。

对于那些成功扩大 GaN在电动汽车以及许多其他消费类和智能手机快速充电应用中的应用的人来说，回报将是巨大的。Yole Développement 最近的一份报告估计，到 2026 年，仅 GaN 消费手机电源市场就将达到 5.97 亿美元，2020-2026 年的复合年增长率为 72%。随着苹果最近推出其 140W MagSafe 充电器，研究公司 TrendForce 表示，预计到 2025 年，GaN 解决方案在快速充电市场的渗透率将达到 52%。

因为今天所有的 GaN 功率器件都是横向的，而不是垂直的，如果应用需要更高的电压，在某些情况下 SiC 更有意义。英飞凌科技公司开关电源和电池供电应用产品和系统工程总监 George Liang 指出，提高击穿电压还需要相应地更大的芯片面积和更厚的外延层。

Yole 化合物半导体和新兴衬底技术和市场分析师 Taha Ayari 表示，GaN 在不同市场的渗透率将根据每种应用的要求而有所不同。“总的来说，GaN 器件的剩余挑战是可靠性和性能接受度、价格竞争力，以及用于高功率应用的高压器件的开发。主要障碍之一仍然是硅衬底上 GaN 层的外延、晶格失配以及两种材料之间的热膨胀系数失配，这会在 GaN 层中产生致命缺陷。所以它需要一个复杂的缓冲层和外延层。”

Ayari 指出，外延通常与制造商开发的内部工艺有关，这使得外延标准化相当棘手。此外，价格压力和更高的产量需求正在推动行业从传统的六英寸平台过渡到八英寸平台，这将需要更多的外延开发来实现均匀性和更高的良率，他说。

GaN 对高端电压有实际限制，应用仅限于 900V。4 月，Imec 和沉积设备供应商 AIXTRON 的研究人员宣布在 200 毫米 QST 基板上成功展示了 GaN 缓冲层的外延生长，适用于 1,200V 应用，硬击穿电压超过 1,800V。如果这一发展被证明是可行的，它将在电动汽车中开辟更高电压的 GaN 应用，而以前只有基于 SiC 的技术才有可能。

制造、测试、检验问题

今天，在 Si 或蓝宝石衬底上生长的主要横向 GaN HEMT 仍然容易受到表面击穿和栅极泄漏电流的影响，因此一些厂商正在关注低电流和 650V 左右的电压，Ahmed Ben Slimane 指出，技术和Yole 的市场分析师。“对于更高的电压（>1,200V），其他新兴衬底很有吸引力，例如 SOI、QST（该衬底用于 IMEC 的演示）或允许垂直 GaN 器件的块状 GaN，”他说。“然而，这些新兴基板的供应链仍在开发中，数量少、价格高，最终用户可能需要时间来采用新技术。”

硅基氮化镓和蓝宝石上氮化镓的生产仍存在关键的制造障碍。“随着 GaN 在消费者中的采用，需要以更低的价格进行大规模生产和更高的产量。这意味着向更大的晶圆尺寸过渡，”Ben Slimane 补充道。“截至 2021 年，一些玩家拥有 8 英寸 GaN-on-Si 晶圆厂（Innoscience 和 X-fab）或计划在未来几年迁移到 8 英寸（英飞凌、Nexperia 和台积电）。另一方面，GaN外延和工艺在厚度和Al成分均匀性、弯曲和翘曲以及良率损失方面存在技术挑战。对于 GaN-on-sapphire，根据行业反馈，不太可能转向 8 英寸；6” 很可能仍然是蓝宝石上 GaN 的主流平台，只有 Power Integrations 是领先者。”

与其他半导体一样，GaN 栅极退化仍然是工艺层面需要克服的主要障碍之一。Ben Slimane 说，制造商依靠检测技术来开发和验证他们的产品。

GaN器件制造商也面临着测试和检验问题。

Bruker Nano Surfaces 的技术营销人员 Ingo Schmitz 表示：“在汽车领域，功率半导体是一个突然需要零缺陷的领域。“他们有所有这些需求，而过去非常简单的设备，如 MOSFET，过去非常便宜，以至于你买不起计量。今天，情况不同了。”

安全关键的可靠性要求给这些市场中使用的所有芯片带来了挑战，尤其是那些涉及新材料的芯片，同时也为可以帮助解决这些挑战的公司提供了机会。“在汽车领域，芯片在晶圆级、芯片级和封装级进行了多次测试，” KLA执行副总裁 Oreste Donzella 说。电子、包装和组件集团。“然后你做老化，你做可靠性测试，你再次测试，然后你有记录。但是，当您撞车时，您仍然可能会遇到安全气囊故障，因为您的安全气囊控制中的芯片不起作用。这是因为潜在的缺陷要么逃脱了测试，要么因为测试不是 100% 有效，要么是因为这些故障是在汽车在非常恶劣的环境中运行期间被激活的。”

这就是事情变得具有挑战性的地方，因为防止此类缺陷所需的测试和检查量正在增加。这些过程需要更长的时间、更高的成本并产生大量数据，因此需要高级分析来识别问题。即便如此，用于比较 GaN 和碳化硅等材料的历史和数据也较少。

“我们通过在晶圆厂检查和测试中进行更智能的采样，帮助汽车行业寻找潜在的潜在缺陷，”Donzella 说。“这就是 I-PAT（在线缺陷部件平均测试）适合的地方，因为其中一些 EV 材料缺乏成熟度和数据。我们正在根据硅结果对它们进行测量，但它们与硅的水平不同。”

图 1：识别潜在缺陷。资料来源：KLA

对缺陷的大小进行分类至关重要。“在外延层面，早期检测致命缺陷并在不同的外延失效机制和动态 RdsON 之间建立联系，可以帮助隔离有缺陷的芯片或晶圆并改善工艺控制，从而降低成本和节省时间，”Ben Slimane 说. “有几种技术，例如光学技术，可用于缺陷检测。最常见的是光致发光和 X 射线，用于计量检测外延层均匀性、铝成分和缺陷。在器件层面，老化和时间相关的介电击穿 (TDDB) 用于测试器件的可靠性。”

尽管 GaN 在许多应用中的可靠性得到证实，但测试方法仍需要标准化。“很难提供所有设备通用的测试条件，因为不同的结构容易由于不同的机制而出现故障，”Ben Slimane 说。“在这种情况下，JEDEC 标准和 AEC-Q101 汽车认证正在适应新的测试方法，这对于制定测量内容和方式的指南至关重要。此外，公司正在开发内部数据库或基于物理的模型，以向汽车原始设备制造商和一级供应商等具有更高可靠性要求的客户提供服务。”

尽管如此，GaN 市场仍在继续增长。例如，高效电源转换 (EPC) 提供的 GaN 器件被用于 100 多种新兴应用。EPC 的首席执行官 Alex Lidow 认为，硅上 GaN 已经超过了大多数应用的临界点。

“剩下的制造障碍很少，”利多说。“GaN 器件是在标准制造设施中使用标准设备与硅器件并排生产的。随着新一代设备的出现，成本将显着下降的一个领域是 GaN 异质结构的 MOCVD 外延生长。GaN 器件仍远未达到其理论性能极限，因此随着边界越来越远离老化的硅 MOSFET，可能会出现新的制造挑战。”

目前，过渡到200mm

更大的晶圆仍然是一个挑战，但该行业已经开始从 150mm 晶圆过渡到 200mm 用于 GaN 生产。“的确，GaN 和硅基器件在功率和射频应用中非常成熟，” Lam Research客户支持业务集团战略营销董事总经理 David Haynes 说。“但这主要是在 6 英寸或更小的晶圆上，对于许多基于 GaN 的器件，在蓝宝石和 SiC 等衬底上。”

海恩斯说，正在向 200 毫米晶圆加工进行重大转变，这将提高这些技术与主流半导体加工的兼容性，并提高其在更先进或更大容量应用中的使用经济性。“SiC 正在向 200mm 迁移，随着 200mm 晶圆成本和可用性的提高，产量将在未来两到三年内增加。”

然而，这更像是一种经济优化，而不是根本性的变化。“GaN 已经进入量产阶段，”英飞凌的 Liang 指出。“所以没有真正的障碍，而是持续改进。转向 200 毫米生产将是一个关键的里程碑。蓝宝石是英飞凌考虑过的一种可行的基板，但由于其导热性差等问题，目前并未追求。”

梁补充说，可靠性和成本是广泛采用 GaN 功率器件的障碍。“直到最近，我们的 OEM 在采用 GaN 的方法上一直相对谨慎，”他说。“在考虑任何新技术时，总是会担心可靠性或其他未知因素。但是随着行业标准的出现（例如来自 JEDEC），以及试点项目证明了 OEM 的价值和可靠性，在过去的一年中采用速度显着加快。尤其是在便携式充电器/适配器产品领域，似乎每周都会发布新的基于 GaN 的高性能适配器。我们相信，这也是引导更保守的工业部门采用的转折点。”

Navitas Semiconductor 使用商品硅晶片生产硅基 GaN，以节省成本。“我们和 GaN 领域的几乎所有其他人一样，都在做 GaN on Silicon，”Navitas 负责营销和投资者关系的公司副总裁 Stephen Oliver 说。“我们从一个标准的商品硅晶片开始——它是几十美元，而碳化硅初始晶片是它的 20 倍——然后我们将非常薄的氮化镓薄片沉积在顶部，然后所有的动作都在里面微小的，微小的层。”

Oliver 说，GaN 层约为 5 微米，硅基晶圆约为 1,000 微米。“GaN 真正酷的地方在于它是一种非常先进的材料，但你可以在非常旧的设备上制造它。”

Navitas 目前在六英寸设备上生产硅基氮化镓。“我们的代工合作伙伴台积电（TSMC）表示，他们将生产 8 英寸，但现在我们在晶圆上获得的芯片数量是硅芯片的五倍，因为每平方面积的性能，即传导，当您还包括我们做电源IC的事实时。因此，我们拥有栅极驱动、ESD 保护二极管、电平转换、电流感应和自主保护。这是一个真正的功率IC。”

过渡到 8 英寸设备即将到来。“我猜这可能是一两年之后，”奥利弗说。“不过时间不长。”

GaN的未来

Transphorm 总裁 Primit Parikh 认为，GaN 器件的大部分产品、质量和制造风险已基本消除，“这就是为什么您会看到 GaN 在这些领域得到广泛采用——来自多家制造商的低功率快速充电器，特别是来自 Transphorm 的高功率段。也就是说，GaN 作为一种半导体材料可以提供更多的东西。在 Transphorm，我们有一个持续的技术和产品路线图，以使 GaN 更接近其最终材料极限的潜力，其品质因数比现在高出数倍。

“此外，尽管有很多讨论，但除了 Transphorm 之外，可行的更高功率 GaN 的可用性有限，禁止一些产品在这里和那里来自其他产品，”Parikh 补充道。“市场将受益于更多拥有固体产品的供应商，就像 SiC 市场一样。我们的目标将是继续在我们参与的每个细分市场中占据主导地位或跻身前几名。”

Parikh 说，对于未来的器件，GaN 的基本品质因数（给定半导体尺寸的持续电压）非常高，与 SiC 相似。“对于实际的横向 GaN 器件，高达 1,200V 的应用（需要在 1,500 至 1,800V 左右击穿）完全在路线图中。判断硬击穿电压出版物时要注意的一点是开关功能。您可以通过糟糕的开关获得尽可能高的击穿率，这在真实设备中是没有用的。Transphorm 团队非常了解这一点并进行了相应的设计。例如，几年前，我们在我们的 ARPA-E 计划下展示了 1,800 V+ 击穿双向设备，因此这当然是可以实现的。”

Parikh 说，Transphorm 拥有多个处于生产或开发阶段的 GaN 平台。“Transphorm 在市场上拥有高达 900 伏特的硅基氮化镓器件，我们也在研发 1,200 伏特的器件，在可预见的未来，在实际功率器件中并不需要 GaN-on-GaN，”Parikh说。“总体而言，作为 GaN 的企业家和粉丝，我不想放弃任何东西，因此所有的权力都交给了追求 GaN-on-GaN 衬底的人们。”

Parikh 补充说，关于测试/检查问题，很大程度上取决于每家公司如何设置他们的晶圆和/或封装测试规范和流程，以确保高质量的产品。“一个重要的项目是评估高压下的动态开关或‘导通’电阻性能，因为长期以来，许多 GaN 供应商没有充分意识到这个问题，因此也没有充分意识到它的测量。多年来，我们一直致力于简化一系列专有的晶圆上和封装产品直流和交流测量。现在，还可以使用来自各种测试设备提供商的相当好的测试人员。检查再次是您的外延材料和晶圆厂材料的晶圆质量的一项功能。

结论

随着当前许多向 200mm 过渡以降低成本的举措正在进行中，GaN 用于功率半导体的广泛采用可能会给当前和未来的混合动力和电动汽车、消费电子产品、智能手机和其他使用GaN宽带隙功率半导体技术。然而，关于制造商能否充分降低成本并稳定更具未来感的 GaN 技术版本的可制造性的问题仍然存在。

来源：第三代半导体产业