功率器件的材料演进之路

来源：芯长征科技

如今，我们已经无法想象没有电的生活了。我们生活的各个方面越来越依赖于电力。而在电力的生产、分发和使用过程中，功率转换起着至关重要的作用。

首先，让我们先理解一下功率转换。简单来说，功率转换是一种将电力从一种形式转变为另一种形式的过程。这种转换可能涉及电压、电流、频率的变化，从而使电力适合特定应用的需求。例如，当我们在家里使用电视、冰箱或者其他电子设备时，我们正在使用的电力都经过了转换。这些电器设备需要将电网供应的交流电转换为它们可以使用的直流电。此外，电力转换也在风力或太阳能等可再生能源的生产过程中起着关键作用，将生产的电力转换为我们日常生活中可以使用的形式。

然而，每次进行电力转换时，都会有一部分能量损失。尽管这部分能量看似微不足道，但由于我们日常生活中的许多设备需要不断运行，所以这些能量损失累计起来就是很庞大的数字。因此，提高电力转换的效率就显得尤为重要。此外，功率转换技术的改进也对减少碳排放，对环境保护有着积极的影响。

问题来了，如何提高电力转换的效率？这可能是一个复杂的工程和科学领域的问题，提高效率的方法可能涉及设计、材料、控制策略等多方面，具体包括选择合适的电力转换拓扑、使用先进的半导体材料、使用先进的算法优化控制策略、改进散热设计等等。

在众多方法中，改进功率器件材料是当下行业热衷于做的一件事。从最初的Si到SiC/GaN，功率器件已经展现出了明显的效率转换提升优势。随着行业不断探索更多新型材料，功率器件将迎来更大的发展突破。

功率器件的材料演进之路

硅作为最常用的半导体材料之一，占据了功率器件市场的主导地位。它的主要优点是资源丰富、工艺成熟和成本较低。然而，这一材料的电子迁移率较低，耐压和频率上限也相对有限，限制了其在某些高端应用中的使用。

碳化硅（SiC）以其宽禁带特性逐渐在高功率和高温场合受到欢迎。其高耐受电压、低导通损耗和良好的高温性能使其在许多应用中具有优势，正在逐渐蚕食硅的市场份额。但相对较高的成本则是其普及的一大障碍。

氮化镓也是一种宽带隙半导体材料，GaN优点是高电子迁移率，低导通损耗，适合高频应用。但缺点是制造工艺复杂，成本相对较高。

目前市面上主要采用上述这几种材料来制造功率器件，但与此同时，行业也正在不断探索新型材料。尤其是氧化镓和金刚石，这两种材料正在受到越来越多的关注。

氧化镓，作为一种相对较新的半导体材料，相比碳化硅、氮化镓具有更宽的禁带宽度（约 4.9eV 禁带宽度），以及具有 8MV/cm 的理论临界击穿场强。其高击穿电场和较低的损耗显示出巨大的潜力，但由于制造工艺相对不成熟，目前其应用仍处于探索阶段。未来，氧化镓有望在高压和高效的功率转换系统中找到其位置。

金刚石被认为是终极半导体，因为它在许多方面的性能优于市场上的旧材料（如硅、砷化镓）和新材料（如氮化镓和碳化硅）。与其他半导体材料相比，金刚石具有独特的优势：

不同半导体材料对功率器件的影响

（来源：Diamfab）

极高的热导率、优异的电绝缘性能和高温稳定性：金刚石是一种在高温下稳定的材料，其电性能在超过2000°C的温度下不会恶化，远超其他半导体材料。

卓越的电气性能：金刚石的临界电场比硅高30倍，比碳化硅高3倍。与大多数半导体不同，金刚石的电阻率随温度升高而降低，这使其在高温环境中表现出色。

超高电流密度和电压：与硅相比，金刚石的电流密度高出5000倍，电压高出30倍。这使其能够在高温和辐射的恶劣环境下工作，适用于极端条件下的应用。

广泛的应用潜力：尽管制造工艺复杂且成本高昂，金刚石在高温、高压和高功率的极端环境中的潜力仍然巨大。其应用范围涵盖了电动汽车、具有20年长寿命电池的物联网、使用硬化电子元件或探测器的核能和空间应用，以及用于自动驾驶汽车的超精确量子传感器等领域。

氧化镓商业化愈发临近

在氧化镓的研发方面，日本走在时代前列。

日本东京国家信息通信技术研究所 (NICT)的Masataka Higashiwaki是第一个认识到β-Ga2O3在电源开关中潜力的人。2012年，他的团队报告了第一个单晶β-Ga2O3晶体管，令整个半导体器件界感到惊讶。他们制造的这种晶体管属于一种叫做金属半导体场效应晶体管的器件。那么，这种晶体管有多优秀呢？评估功率晶体管优劣的一个重要标准是“击穿电压”，也就是说，这个器件能在什么电压下阻止电流通过而不被破坏。Higashiwaki的团队创新制造的这种晶体管，其击穿电压高达250V以上，非常出色。作为对比，氮化镓（GaN）晶体管花了近二十年的研发，才实现了这个标准。

此后几年，日本不少公司都在研发氧化镓。其中日本的一家公司Novel Crystal Technology（NCT）是世界上最早开发、制造和销售功率半导体用氧化镓晶圆的公司之一，该公司成立于2015年，其技术就是基于田村株式会社、日本国立信息通信技术研究所（NICT）和东京农工大学在氧化镓的研究成果。

2023年7月28日，日本功率半导体巨头三菱电机集团宣布，投资了Novel Crystal Technology，用于加快研究开发高性能低损耗氧化镓(Ga2O3)功率半导体，为实现低碳社会做出贡献。早在2021年，Novel Crystal Technology就已成功量产4英寸氧化镓晶圆，并开始供货。去年该公司计划投资约20亿日元，为其工厂添加设备，到2025年，建成年产2万片4英寸的氧化镓晶圆生产线。而且该公司计划在2023年供应6英寸晶圆。

三菱电机希望将其长期积累的低功率损耗、高可靠性功率半导体产品设计和制造技术与Novel Crystal Technology公司的氧化镓晶圆制造技术相结合，加快开发卓越节能的氧化镓功率半导体。

金刚石的诸多挑战正在被攻克

如上文所述，金刚石对于半导体行业来说是一种很有前景的材料，但该技术要成为工业现实，仍需克服许多障碍。

（一）晶圆切割：由于缺乏有效地将金刚石切成薄晶圆的技术，其应用受到限制。晶圆必须一张一张地合成，这使得制造成本对于大多数行业来说都过高。

现在，由千叶大学工程研究生院的Hirofumi Hidai教授带领的日本研究团队找到了切成薄晶圆的方法。这种基于激光的切割技术用于沿着最佳的晶体面整齐地切割金刚石，从而制造出平滑的晶片。为防止不必要的裂纹沿晶格扩散，研究人员开发了一种处理技术，将短激光脉冲集中在材料内的窄锥体积上。Hidai教授解释说：“集中的激光照射会将金刚石转化为密度低于金刚石的非晶碳。因此，被激光脉冲改变的区域会发生密度减小和裂纹形成。”

金刚石切片能够以低成本生产高质量的晶圆，对于制造金刚石半导体器件是必不可少的。因此，这项研究使我们更接近实现金刚石半导体在社会中的各种应用，例如提高电动汽车和火车的功率转换率。

（二）外延片：在制造金刚石器件所需的所有工业过程中，外延层的生长是最关键的过程之一，因为大部分电气性能取决于这些有源层的质量。

法国的一家名为Diamfab的初创公司，正在研究生产金刚石外延晶片。Diamfab是法国国家科学研究中心 (CNRS) 的附属机构。CNRS的宽带隙半导体团队 (SC2G) 30 年来一直致力于为具有挑战性的电子应用领域开发高质量合成金刚石。

Diamfab用甲烷来生产金刚石，甲烷是一种可以通过自然和生物手段生产且不受资源限制的气体。使用两种工艺来合成它：HPHT（高压高温）或 MPCVD（微波等离子体化学气相沉积）

通过独特的控制来合成和掺杂金刚石外延层，他们开发了利用微波产生的等离子体在受控温度和压力条件下合成和掺杂金刚石外延层的IP。这会将甲烷分子裂解成碳，然后碳在金刚石种子的表面上重新排列。同时，添加精确且受控数量的硼或氮以生长金刚石掺杂层并形成准备用于器件制造的高附加值晶圆。因此，金刚石掺杂层的堆叠被生长以形成高附加值的晶圆，为设备制造做好准备。

Diamfab瞄准的是金刚石在电动汽车市场中的应用。在汽车应用中，Diamfab晶圆可以制造重量减轻80%、结构更紧凑的电源转换器。在电网应用中，与硅相比，晶圆还可以更轻松地处理更高的电压，并将能量损失减少10倍。Diamfab 表示，预计十年内所有电动汽车都将采用金刚石材质。

此外，化学气相沉积 (CVD) 技术的进步也大大加速了金刚石的发展，这有望将金刚石晶圆实现4英寸。Diamfab公司越来越看到金刚石发展的契机，他们有一个明确的路线图，到2025年实现4英寸晶圆，作为大规模生产的关键推动因素。目标是在未来五到七年内增加产量。

（三）器件研发：总部位于东京的 Orbray Co Ltd和位于日本爱知县南山的汽车半导体研究公司 MIRISE Technologies Corp已开始合作开发未来在各种电动汽车中部署垂直金刚石功率器件所需的技术。

在研究合作中，Orbray将负责开发p型导电金刚石基板，而MIRISE将负责开发高压操作器件结构，以验证垂直金刚石功率器件的可行性。据悉，今年年初，日本佐贺大学教授Kazuki Yosda 和Orbray开发出了工作功率为每平方厘米 875 兆瓦的由金刚石制成的功率半导体，这是世界上输出功率值最高的半导体。

结语

从硅到金刚石，不同的半导体材料各自展示了独特的性能和优势，推动着技术不断进步，为构建低碳未来提供了有力支撑。这些材料的不断演进和创新，正是为了满足全球对能源效率和可持续发展的日益增长的需求。与此同时，围绕着功率器件的竞赛，也即将迈入下一个新赛道，因此，国内半导体厂商在这些先进半导体材料领域的研究和开发亟需加快步伐。

　　审核编辑：汤梓红