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已往几年，GaN和SiC等宽禁带半导体质料生长迅速，现在均已经实现了商业化，而且生长优越，因此人人都对第三代半导体统治功率半导体市场充满了希望。并对硅功率器件的未来示意了担忧。

但在差异厂商和机构的起劲下，这个市场似乎尚有差其余定数。

硅，死期未到

首先，我们有需要先回溯下功率半导体的生长历史：早在20世纪50年月末双极结晶体管(BJT)首次发现，20世纪60年月泛起了功率二极管和晶闸管，70年月和80年月又泛起了绝缘栅双极晶体管(IGBT)和功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等新型功率半导体。今后，该行业不停通过设计和工艺上的优化来不停提升硅功率半导体的性能，例如20世纪90年月初期，超级结结构的MOSFET最先逐步替换平面MOSFET。这些都体现了电子工业对更高性能、更高效率、更小尺寸和更低成本产物的永无止境的追求。

然而在已往二十年中，功率半导体架构的创新变得异常有限，硅功率器件性能已趋于稳固，因此许多人宣称“硅已经走到了终点”。行业于是最先转而在质料上下功夫，探索更多用于功率器件的质料，这就是现在大火大热的SiC和GaN等宽禁带的半导体质料。虽然人人都以为硅在许多场景中会比SiC与GaN取代，然则一些厂商则以为硅还没有到达极限，正在不停在硅的基础上创新功率半导体，进而挑战SiC和GaN这些宽禁带半导体。

我们领会到，一家位于美国宾夕法尼亚州名为iDEAL Semiconductor的公司，他们缔造了一种新颖的基于硅的功率器件架构，称为是SuperQ的专利手艺。据他们的官方形貌，该手艺在功率器件的原子级举行了创新，解锁了更高的效率和更高的电压性能。该手艺仍接纳传统的CMOS制造流程，适用于200mm和300mm晶圆。据他们的先容，SuperQ手艺能提供业界*的单元面积电阻 (RSP)，该手艺适用于二极管、MOSFET、IGBT和功率IC等。

详细来看，SuperQ手艺主要实现了三项创新：

(1)行使纰谬称电荷来平衡沟槽：传统功率器件架构的现实限制是将n导区限制在整体结构的50%，其余50%用于电压阻断，不支持传导（如下图所示），也就是说只有50%用于传导。而iDEA公司发现了一种电荷平衡方式，可以薄到总结构的5%，面积行使率高达95%。这为传导打开了更大的空间，提高了效率。

传统的通例1D功率MOSFET(a)和超结MOSFET (b)的截面结构示意图（图源：iDEAL Semiconductor白皮书）

iDEAL公司的SuperQ结构

(2)更薄的外延：该公司*进的沟槽手艺SuperQ提供靠近理想的电荷平衡，允许更薄的外延和更好的性能数字。

(3)更高的掺杂浓度：SuperQ的手艺由于其阻断效率，可以在传导区实现更高的掺杂浓度。这种增添的掺杂进一步降低了通道的电阻并降低了功率损失。

基于SuperQ手艺的200V MOSFET有诸多优势：其电阻比现有硅低6倍，比GaN低1.6 倍。与超结结构相比有55%更大的传导面积；与*的硅MOSFET驱动36马力电机相比,可削减46%的逆变器消耗；接纳SuperQ手艺设计的电机驱动逆变器可节约高达 50%的功率消耗。

而且SuperQ手艺尚有希望用于“硅之后”的质料，若是在其他半导体质料上实现之后，它可以重塑碳化硅、氮化镓和其他未来宽禁带质料的成个性能曲线。当宽禁带市场成熟时，SuperQ手艺可以加速其应用。

iDEAL的首席执行官马克·格拉纳汉 (Mark Granahan) 示意，他们的芯片可能会在90%的电源芯片市场具有竞争力。现在该公司新筹集了4000万美元的融资，投资者包罗半导体制造装备制造商应用质料 （Applied Materials）的投资部门。

SiC，职位未稳

人人以为SiC会在高压的一些市场坐稳职位的时刻，GaN也要来挑战SiC的职位。GaN 的质料特征使其在高压电源开关应用中优于碳化硅 (SiC) 的选择。然而，GaN 加工手艺尚未生产出可在 1,000 V 以上运行的可行 GaN 高压开关晶体管。迄今为止，SiC 一直是 650-1200V 应用的*宽带半导体，尤其是电动汽车和可再生能源中的逆变器。然则垂直GaN的生长正在成为SiC的有力竞争对手。

对照 Si、SiC和GaN在 10-10,000 V击穿电压下的特定导通电阻限值。

在此首先需要科普一下，GaN功率器件主要分为在硅片上形成GaN活性层的“水平型”和直接使用GaN衬底的“垂直型”。*种水平型的可以以较低的成本获得GaN的高频特征，但不适合需要650V以上的高耐压的情形。第二种垂直型比水平型更适合高电压和大电流，但GaN晶圆价钱昂贵，直径小，约为2至4英寸。若是能解决了成本的问题，那么垂直型的GaN功率器件也将具有一定的优势。

在垂直GaN的研发玩家中，首先是位于美国纽约州伊萨卡的Odyssey Semiconductor，该公司开发了一种革命性的方式来在GaN中实现区域选择性掺杂区域，为实现垂直传导器件打开了大门。Odyssey Semiconductor公司正在行使高质量的块状 GaN 晶圆作为其专有的垂直传导功率开关晶体管的衬底。这些衬底允许生长额定电压高于 1,000 V 的晶体管所需的低缺陷密度器件层。

根据他们的说法，在Si上生长的GaN，缺陷密度为～108至1010cm²。这些缺陷会影响器件的高压操作可靠性。因此，没有任何额定电压高于900 V的GaN HEMT商业化公布，大多数仅限于 650伏。而他们的革命性方式使得在GaN衬底上生长的垂直传导 GaN 器件每单元面积的缺陷削减了约 1000-10,000 个，这将允许在高达10,000 V及以上的电压下可靠运行。只管GaN衬底更昂贵，但相比SiC，GaN器件所需要的晶圆尺寸要小得多，这使得它们相对于具有相似额定值的 SiC 器件在生产方面具有竞争力。

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据悉，Odyssey Semiconductor公司的垂直GaN产物样品制作完成，包罗事情电压为650V和1200 两种，并于2023年*季度最先向客户发货。据报道，650V部门是当今更大的市场，预计将以 20% 的复合年增进率增进。1200 V产物细分市场预计将以 63% 的复合年增进率更快地增进，并将在本十年的下半年成为更大的市场。该公司的目的是完全取代现在由SiC服务的更高功率器件市场。

另一个对垂直GaN感兴趣的欧洲的财团所提议的YESvGaN项目，他们从2021年最先研究一种新型垂直GaN功率晶体管，该晶体管以与硅相当的成本实现垂直 WGB 晶体管的性能。在功率半导体领域，欧洲一直是具备深挚的基础和手艺积累，该财团背后也是集聚了欧洲*的企业和组合。YESvGaN同盟是博世、意法半导体、Soitec、Siltronic、AIXTRON、X-FAB等企业和德国研究机构Fraunhofer IISB、Ferdinand由Braun Institute、比利时根特大学、西班牙瓦伦西亚大学等在7个国家设立据点的23家公司/组织组成，欧盟的研究开发项目“ECSEL”JU”以及欧洲各国提供的资金。

他们研究的偏向是，通过GaN在硅和蓝宝石底板上的异端外延增进获得成本优势，同时兼顾垂直特征。原本GaN on Silicon (GaN在硅基板上的生长)之以是不能制造垂直形状，是由于需要绝缘性缓冲层。另外，蓝宝石自己就是绝缘体。因此，该项目将GaN生长后器件区域正下方的缓冲层和硅、蓝宝石衬底自己去除，从后头直接通过金属接触与GaN层毗邻，这称为是“垂直GaN薄膜晶体管”。该项目现在正在举行的开发目的是使用300mm的硅或蓝宝石晶圆，制造出耐压650 ~ 1200V级其余垂直GaN功率晶体管，虽然厚度只有几微米，但垂直的结构的优点和GaN onSilicon或GaN on Sapphire的低成本将成为可能。

下图显示了YESvGaN的一些主要研究步骤和所要举行的事情，主要包罗：1）为实现650 ~ 1200v级别，在*300mm的硅/蓝宝石衬底上实现厚漂移层外延生长的手艺开发；2）*1200V/100A导通电阻4mΩcm²垂直GaN功率晶体管的开发及与硅IGBT成真相同的工艺手艺；3）通过干法蚀刻去除硅衬底缓和冲层，通过激光剥离形成蓝宝石衬底的抬高和沉降接触，以及通过先进的接合和泥带实现后头功率元化牢固手艺；4）对功率晶体管组件和互连手艺的开发，尚有响应的可靠性特征评估；5）为开发的功率晶体管确立数据表并在多个应用演示机中演示系统效率改善。

在全球*的电力电子展 PCIM Europe 2023（2023 年 5 月 9 日至 12 日，德国）上，博世展示了其YESvGaN项目的希望，博世已经实现在硅和蓝宝石上生长了二极管击穿电压跨越500V的堆叠层，并在150mm GaN on Silicon晶圆上去除了硅，形成了4μm厚、*直径为5mm的GaN薄膜。不外博世还没有到最终晶体管完成的阶段，现在正在围绕着验证手艺是否可行举行大量的研究。若是该手艺得以实现，将有望加速垂直GaN的量产化。

博世在PCIM Europe 2023展出的150mm GaN on Silicon晶圆

除此之外，比利时的研究实验室 imec 在 200 毫米晶圆上展示了突破性的氮化镓 (GaN) 工艺，它与Aixtron的装备相助，imec已经证实了GaN缓冲层的外延生长，可用于200mm QST衬底上的1200V横向晶体管应用，硬击穿电压跨越1800V。

总之，垂直GaN的研发也是行业的一大起劲偏向。这些企业和机构正在起劲施展和挖掘GaN在大电压下的潜力。

新质料 ，未来可期

除了在硅、SiC和GaN上的起劲。诸如氧化镓和金刚石等新的功率半导体质料也是业界正在攻坚的偏向。在新质料的探索上，日本一直处于*的职位，日本有许多企业在功率半导体、高频元件等领域拥有厚实的生产实绩。

金刚石在禁带宽度、电子迁徙度、热传导率等诸多方面远远比SiC和GaN等半导体质料精彩，也被誉为是“*半导体质料”。不仅是半导体，金刚石也可应用于量子传感器。

日本的EDP株式会社和Orbray株式会社等日本公司都在努力推进金刚石材质的晶圆营业。其中，“Orbray”研发了一种以蓝宝石（Sapphire）为衬底，异质外延生长（Heteroepitaxial Growth）金刚石晶圆的生产方式，现在已经乐成制造出直径为2英寸的晶圆。

此外，日本初创企业日本早稻田大学孵化出了一家以“实现金刚石半导体适用化”为营业目的的初创型企业Power Diamond Systems，意图将金刚石半导体行业的先驱逐一川原田教授的研发功效推向适用化。川原田教授曾行使金刚石半导体的基础手艺（氢终端外面），研发了金刚石场效应晶体管（FET），并为业界熟知。

日本电子装备产业新闻的报道指出，现在金刚石半导体已经最先从实验室最先迈向适用化。但要真正普及推广金刚石半导体的应用，依然需要破费很长的时间，不外已经有报道指出，最快在数年内，将会泛起金刚石材质的半导体试作样品。

随着越来越多的日本企业和大学机构对金刚石和氧化镓等新质料的探索。信托将为未来的功率功率半导体器件的生长，提供更多的生长空间。

再一个极有潜力的质料是氧化镓，依附其在靠近5电子伏特的宽带隙，氧化镓*GaN（3.4eV）一英里，与硅（1.1eV）相比，*优势更是大到一个马拉松。在对半导体至关主要的五个特征中，高临界电场强度是β-氧化镓的*优势。氧化镓还可以通过称为掺杂的历程使其导电性更高。这有助于打造高压开关，也可能意味着可以基于其设计功效壮大的RF装备。

2023年4月，日本的Novel Crystal Technology公司正在致力于β-Ga2O3肖特基势垒二极管的商业化开发。在日本新能源产业手艺总合开发机构(NEDO)的推动下，现在也已乐成地举行了导入沟槽结构(Trench Structure)之耐压1,200V、低功耗氧化镓肖特基二极管的实证。

早在2021年，Novel Crystal Technology乐成量产4吋氧化镓晶圆，已经于今年最先供应客户晶圆。此外，Novel Crystal Technology还设计在2023年供应6吋晶圆。2021年，Novel Crystal Technology设计投资约为20亿日元，向其公司工厂添加装备，到 2025 年，建成年产 20,000 片 100mm（4 英寸）氧化镓 (Ga2O3) 晶圆生产线。

关于氧化镓的研发，海内也已取得突破。3月14日，西安邮电大学宣布，该校陈海峰教授团队日前乐成在8英寸硅片上制备出了高质量的氧化镓（GaO）外延片；此前在2月尾，中国电子科技团体有限公司（中国电科）宣布，中国电科46所乐成制备出我国首颗6英寸氧化镓单晶，到达国际最高水平。

结语

无论是对现有硅基功率半导体的结构创新，照样垂直GaN的突破，以及金刚石和氧化嫁等更新质料的探索，都是为了能够为行业提供更优良的解决方案。随着科技的不停提高和需求的增进，功率半导体的突破将为电子装备和能源系统带来伟大的转变和提升。

总的来说，功率半导体在新质料和新结构手艺的不停突破下，生长远景异常令人期待。

本文参考资料：

金刚石半导体最先走向适用化，日本电子装备产业新闻