功率半導(dǎo)體和5G的新寵——GaN和SiC

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一共分三個階段，第一代半導(dǎo)體材料是硅(Si)，第二代半導(dǎo)體材料是以GaAs和SiGe為代表的微波器件，而現(xiàn)在最熱門的是第三代半導(dǎo)體材料是寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN和SiC，相較前兩代產(chǎn)品，性能優(yōu)勢顯著并受到業(yè)內(nèi)的廣泛好評。第三代半導(dǎo)體具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點，因此也被業(yè)內(nèi)譽(yù)為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動機(jī)”。發(fā)展較好的寬禁帶半導(dǎo)體主要是SiC和GaN，其中SiC的發(fā)展更早一些。


功率半導(dǎo)體圍繞著硅(Si)發(fā)展了半個世紀(jì)，一直在BV和Ron之間博弈，也是一個功率器件最基本的門檻。這兩個參數(shù)一個決定了器件的極限(BV)一個決定了器件的性能(Ron)，這就如同魚和熊掌不可兼得。而在BV的提升上面，主要考慮有源區(qū)(Active)和場區(qū)(Field)，而Active區(qū)的擊穿電壓自然就是靠PN自己了，沒其他辦法，而場區(qū)也是最后器件電場線集中收斂的地方，這個區(qū)域的電場會很強(qiáng)，因此很容易在這里擊穿，所以如何提高終止區(qū)的擊穿電壓成了硅基功率器件的重點，當(dāng)然發(fā)展了這么多年最行之有效也是最成熟的方法就是保護(hù)環(huán)(Guard Ring)和場板(Field Plate)或者搭配來實現(xiàn)終止區(qū)的耗盡區(qū)寬度進(jìn)而降低表面電場，使得擊穿盡量發(fā)生于Active區(qū)的PN結(jié)。理論上只要這兩道環(huán)設(shè)計的好，都能使得器件的擊穿電壓達(dá)到理想的PN結(jié)擊穿電壓。但是即便如此，受限與硅材料本身的特性，他的擊穿電場也是要受限于他的禁帶寬度(Eg)的，所以硅基的功率器件在1000V以上的應(yīng)用時候就顯得非常吃力，而且制造成本和可靠性等等都非常高，急需要尋找一種寬禁帶半導(dǎo)體材料來獲得更高的擊穿臨界電場以及電子遷移率，而目前這種材料就是SiC和GaN這兩種材料。

話說新材料找到了，但是要全面取代硅基還是很困難啊，畢竟硅基器件的襯底和制造技術(shù)已經(jīng)很成熟，價錢就可以秒殺你。所以在高壓高功率的市場，一直存在著硅基功率器件和SiC/GaN的市場爭奪戰(zhàn)，其中硅基最得意的作品就是Si-IGBT和Super-Junction了。
繼續(xù)討論SiC和GaN吧。

1、襯底片生長(Crystal Growth)：這是最基本的，就如同硅基在70年代一樣，如果沒有單晶襯底片，所有的制造業(yè)都是白談，即使硅基的Si-ingot到目前為止全世界也只有5家可以拉單晶啊，可想而知多難！到了SiC和GaN那就更難了，幾乎這就是主要制約這個行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

1）SiC制備：先說說SiC的結(jié)構(gòu)吧，大家應(yīng)該經(jīng)?？吹?H-SiC和6H-SiC，這是指他的堆疊層數(shù)。我從頭講起吧！首先，SiC都是第四主族的元素，所以每個Si和每個C剛好一一配對形成穩(wěn)定的共價鍵結(jié)構(gòu)，每個Si外面四個C，而每個C外面也是4個Si。從結(jié)構(gòu)上看，如果你正對Si面看下去的話，背面被擋住了一個C，所以你還能看到三個C，相同的情況，如果你正對著C面看下去，背面也被擋住一個Si，所以你還可以看到3個Si。因為一個C配一個Si，而剛剛說的不管從哪個原子看過去都可以看到三個另外原子，所以最好的晶體排布方式就是六邊形結(jié)構(gòu)，也就是書上說的六方最密堆積(HCP: Hexagonal Close Packing)，如果不熟悉的話大家一定知道體心立方(BCC)和面心立方(FCC)吧，跟他差不多，也是一種晶體結(jié)構(gòu)而已)?，F(xiàn)在開始排布，第一層為A的球代表了雙層Si和C的結(jié)構(gòu)，那么下一層根據(jù)共價鍵的價鍵結(jié)構(gòu)可以有兩種分布，分別是B和C。而且A的下面一層只能是B或者C，不能是A自己，B和C也一樣。所以這就有了多少種組合？ABA、ACBA、ACABA、ACBACBA，分別對應(yīng)2H、3C、4H和6H了，而這個數(shù)字呢就是代表下一次重復(fù)前堆疊的層數(shù)而已，而目前SiC的功率半導(dǎo)體都是用4H-SiC或者6H-SiC，主要原因是他可以拉出比較大的wafer而已。

這個結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了，關(guān)鍵怎么制造出來呢？和Silicon一樣，CZ直拉的，但是條件非常非?？量?。第一個是Seed，我們硅Ingot的拉單晶所需的seed很小，wafer的直徑和seed大小無關(guān)，但是SiC的seed直徑直接決定了final wafer的直徑，所以seed必須很大。

其次是反應(yīng)條件，溫度已經(jīng)不是Silicon的1400C了，而是2300C，所以加熱系統(tǒng)已經(jīng)是RF coil，且坩堝替換成了石墨(graphite)。他其實是一種物理氣相沉積(PVD)，只是他不是Sputter的而是加熱沸騰然后冷凝到seed表面形成的ingot而已。生長速率只有1mm/hour，所以可想而知SiC的價格多貴了吧，而且目前尺寸只能做6寸，主要是受wafer表面的溫度均勻性限制，而且doping level沒辦法做高，如果要想用high doping的SiC襯底，必須要用CVD EPI的方式來重新生長(1400C~1600C, 3um/hour, SiH4+H2+CH4+C3H8, etc)，而且doping的元素主要是Al和Boron為P型，而Nitrogen和Phos為N型。如果是離子注入(Ion Implant)的方式來doping的話，會引入晶格損傷，而這種損傷很難消除，必須要用高溫離子注入(High Temperature Implanter: 700C)以及高溫退火(1200C~1700C)才能緩解和消除，這就是process里面最大的挑戰(zhàn)！

2) GaN襯底：GaN主要都是MOCVD或者分子束外延(MBE)在襯底上長一層GaN而已，但是對于襯底的選擇很重要，如果是作為功率的switch器件，都是選擇GaN-on-Si，如果是用作RF的話，就需要選擇GaN-on-SiC，顯然后者受襯底依耐比較大，僅限于6寸晶片。至于他是怎么外延的，為什么要有成核(neuclization)和buffer層等等，必須要先懂他的器件原理才能理解，后面講器件的時候一起講吧。

審核編輯 黃昊宇