氮化镓和碳化硅的应用

氮化镓和碳化硅在高频率电源开关中的应用

前言

对于宽带隙（宽禁带）材料和设备的研究工作已经持续许多年了，这些材料的特性令设计者非常满意，因为宽的带隙设备显著的性能改善超过了以硅为基础的其他材料。他们在高温度下、高功率密度下、高电压下和高频率下运转的能力，使他们在未来的电子系统中的使用非常令人关注。对未来的开关和高频功率应用方面大有前途的两种非常重要的宽带隙材料就是氮化镓和碳化硅。关于氮化镓与碳化硅材料，半导体器件是否可能而且这种设备/材料是否最适合各种开关和高频功率的应用的问题有大量的正在进行的讨论和质疑。本论文总结了我们对于目前发展现状的理解以及这些技术的领先之处。材料特性、设备结构和成本都是重要的和相互关联的。最终，我们相信碳化硅和氮化镓两种材料都将扮演着重要角色而且都将融入各自的商业市场。

材料属性

作为宽带隙材料的表征是一个电子从价带顶部跳到半导体导带底部所适合的能量。需要能量通常大于一个或两个电子伏特的材料被称为宽带隙材料。碳化硅和氮化镓半导体通常也被称为化合物半导体，因为他们是由选自周期表中的多个元素组成的。下表比较了硅(Si)、碳化硅(SiC-4H1)和氮化镓(GaN) 材料的性能。这些材料的属性对电子器件的基本性能特点产生重大影响。

对于射频和开关电源设备而言，碳化硅和氮化镓两种材料的性能都优于单质硅的。碳化硅和氮化镓相比单质硅的一个更优的属性是，他们的高临界场允许这些器件能在更高的电压和更低的漏电流中操作。高电子迁移率和电子饱和速度允许更高的工作频率。然而SiC电子迁移率高于Si，GaN的电子迁移率又高于SiC，这意味着氮化镓应该最终成为极高频率的最佳设备材料。

高导热系数意味着材料在更有效地传导热量方面占优势。SiC比GaN和Si 具有更高的热导率，意味着碳化硅器件比氮化镓或硅从理论上可以在更高的功率密度下操作。当高功率是一个关键的理想设备特点时，高导热系数结合宽带隙、高临界场的碳化硅半导体具有一定优势。氮化镓相对较差的导热性，使系统设计人员处理氮化镓器件的热量管理面临一个挑战。

材料质量

碳化硅和氮化镓的材质，在过去几年已经进行了实质性的改善。我们的经验是，碳化硅比氮化镓更进一步，因为氮化镓基板只能被制造到直径2英寸。无论何种情况下，对于开关和高频功率应用的设备研究兴趣点是，需要将碳化硅或氮化镓的外延层生长或沉积在由相同(均相外延)或不同(异质外延) 的材料组成的衬底上。

同质外延的碳化硅器件在制造方面某种程度上类似于单质硅，因为在碳化硅衬底上要形成碳化硅外延层（图一）。其结果是在外延层和衬底之间具有良好的晶体匹配，并且有一个导电和导热路径从顶部到晶片的底部。这就具备了在设备结构以及成本上可以制造的意义。现在有许多制造碳化硅衬底和外延晶片的公司。Cree公司历来占据优势地位，但是其他公司都在材料质量以及同样重要的成本方面非常迅速与之缩小差距。

图一：垂直的双扩散碳化硅半导体场效应晶体管

现今，氮化镓基板主要用于在2英寸晶圆片上制造蓝色激光二极管，这是氮化镓材料在当下技术发展的最新水平。对于以氮化镓为基础的器件，同质外延氮化镓晶片比异质外延方法更具优势；但是，高品质（低缺陷）的准备外延氮化镓衬底的生产流程仍处于早期阶段，比起碳化硅还有很多不成熟之处。当涉及到大量单晶氮化镓的生长能达到开盒即用的基板时，正如碳化硅一样，还存在必须要解决的许多固有挑战。因此，今天常用的方法是异质外延的方法。但对开关和高频功率应用而言，要实施几种变化，今天对于异质外延氮化镓晶片的主要选择为，氮化镓外延层置于“非天然”碳化硅衬底上。另一种正在使用的组合是氮化镓外延层置于单质硅上。在这两种情况下，存在需要被考虑添加额外的材料和加工费用的晶格差异。

图二：使用氮化镓与过渡层材料，硅或碳化硅作为衬底，去匹配晶格的横向晶体管

适应晶体差异的常用方法是通过使用一个缓冲层（图三）。氮化铝(AlN)是一种被使用的材料，他提供了良好的材料匹配，但是他的电绝缘影响了可以制造的设备结构的类型。创建缓冲层也增加了成本和工艺的复杂性。此外，为了不影响设备性能、生产量和可靠性，这些缓冲层结合非原生基质的使用导致的缺陷和固有应力需要被克服。

图三：氮化镓和所需的缓冲层的横截面

对于同质外延的碳化硅，国家最先进的晶圆直径是3到4英寸，而对于在碳化硅或单质硅晶圆上的异质外延的氮化镓是3英寸。在成本方面，在SiC晶片上的GaN成本超过在SiC晶片上的SiC的同行的成本约20%。从设备制造业的观点出发，在SiC或Si晶片上的GaN的缺陷要高于在SiC晶片上的SiC的同行。这是一个重要的考虑因素，因为不同于简单的二极管或发光二极管，电力设备对于缺陷非常敏感。此外，在Si晶片上的GaN在外延界面具有2比1差异的(图四)热膨胀系数（CTE），在功率循环过程中是的一个问题（为何材料的附加层必需机械地发出设备声音的另一个原因）。Si晶片上的GaN承诺要比在SiC晶片上的SiC或GaN大幅的降低成本，导致了当前对这种组合的大量兴趣。主要问题是该设备结构，生产量，电气和热性能，可靠性和整体成本系统的效益能推翻目前使用的硅器件吗？

图四：半导体原料的晶格常数和热膨胀系数

设备拓扑

同质外延的碳化硅具有纵向和横向的设备都可被制造的优点。

碳化硅横向设备：

?金属半导体场效应晶体管是流行的高频设备，不但能使源信号通过高频应用，而且能一体化成在单片微波集成电路（MMIC）的形式。美高森美公司目前正在开发一个针对S波段（约3千兆赫兹）频率范围的金属半导体场效应晶体管，这个频率是用同质外延的碳化硅可能实现获得的最高频率。

碳化硅纵向设备：

?对于设计师想要包括肖特基二极管、结型场效应管、静电感应晶体管、直插式二极管、双极型晶体管和圣杯，以及常关型设备和金属半导体场效应晶体管在内的一切。有许多公司提供各种电流和阻断电压额定值的碳化硅肖特基二极管。美高森美公司提供了包含碳化硅肖特基二极管的电源模块,还引进了在甚高频(30兆赫到300兆赫)和超高频(300兆赫到600兆赫) 的频率下操作的两个射频静电感应晶体管。我们的下一代射频静电感应晶体管将以L波段（1至2千兆赫兹）的频率范围作为目标。直插式二极管和双极结型晶体管（开关和射频）受到要在整个垂直结构上非常精确地控制掺杂层的需要的挑战，并且由于受到可利用的原始材料的限制，因此在这个时候一般不会做好生产的准备。一些公司最近宣布了要在金属半导体场效应晶体管上做出地进步，其中主要的挑战是为了可用的电流而生产可靠的设备和扩大芯片尺寸，同时保持合理的收益率。我们的评估是，他们正在为接近生产做准备，但全规模生产可能是一两年后了（Yole发展署预测了2014年的碳化硅半导体场效应晶体管的大量生产）。有几家公司正在致力于结型场效应管电源开关应用的研究工作。结型场效应管面临的最常见的挑战是，设计者不情愿使用常“开”结构，因为他们习惯设计常“闭”的硅半导体场效应晶体管。显然，电路设计者不希望开关设备在“接通”位置上失败。为了解决这个问题，一些公司正在开发一种常“开”高电压的碳化硅结型场效应管与常“关”低电压的硅半导体场效应晶体管串联而成的共源共栅结构。这种方法的一个缺点是，硅半导体场效应晶体管决定了解决方案的最高温度。其他的则发展成常“闭”的碳化硅结型场效应管，其中的阈值电压大约1V的和最大转（门源）电压大约3V。这些常“闭”的结型场效应管面临的挑战是，设计人员仍然勉强使用它们，因为害怕杂散信号导致设计的故障。实质性的效率提升已经证明了对这两种解决方案具有真正的兴趣，并为每个方案做出承诺。

由于补偿所需的缓冲层没有匹配的晶格材料，所以此时无论在SiC还是Si晶片

上异质外延的GaN设备都局限于横向结构。横向设备相比它们垂直的同行有相当大的缺点，包括需要更大的芯片尺寸和附加上部接触器等。

氮化镓横向设备：

?横向设备通常比垂直设备需要更多的空间。制造业生产量也会受到较大设备的影响。

?因为必须持续穿过设备表面的大电场，横向设备往往在其工作电压能力上受到限制。

?而例如肖特基二极管的横向氮化镓设备已被证实，目前他们不具有被制造的实用性。

?无论是开关或是高频功率的应用，最常见的横向设备结构是HEMT（高电子迁移率晶体管）。今天，基于高电子迁移率的碳化硅晶体管之上的射频氮化镓设备，在非常高的频率例如C和X波段下，正在被制造使用。这些设备的主要采用者都是防御系统，例如那些所需的电子战应用。在碳化硅晶片上的氮化镓是首选，因为在成本不是主要因素的情况下，它的射频性能占主宰地位。

基于高电子迁移率的碳化硅晶体管之上的射频氮化镓设备也正在被开发。这些设备的支持者主要针对目前受横向扩散的硅场效应管设备控制的无线通信应用为研究目标。虽然基于硅的设备不像基于碳化硅的设备那样高的性能，但赌注是结合未来低成本的承诺它的性能优势在基于站市场（3G，4G，WiMAX）的远程通信方面将战胜现任的横向扩散的硅场效应管和高电子迁移率砷化镓晶体管。

?另一个追求在高电子迁移率硅晶体管之上的氮化镓产品的应用空间是低电压（约200V及以下）的开关电源电子设备。有几家公司正在对原始材料的质量改进、晶圆直径的提高、晶片成本的减少、结合增强模式的生产量的改进下赌注，通常是闭装置和高性能的氮化镓器件将战胜目前最先进的硅设备。也可能是这些产品的RadHard市场。但是当你尝试将此概念应用到高电压设备时，普遍的共识是，主要是因为在硅晶片上的氮化镓的功率它失去蒸汽，并且在碳化硅晶片上的氮化镓材料将需要被到放到一个必要的设备上和同质外延的碳化硅器件正碰撞。

设备拓扑总结

图五：半导体材料的纵向和横向拓扑

概要

根据材料特性和当前的设备能力，我们希望以下碳化硅/氮化镓的结果。

?在碳化硅之上的异质外延的氮化镓将主导在S波段上的射频频率的应用，其中性能是至关重要的，例如在国防领域的应用。

?在单质硅之上的异质外延的氮化镓在基于站市场（3G，4G，WiMAX）的远程通信方面可以找到一个代替现任的横向扩散的硅场效应管和高电子迁移率砷化镓晶体管的地方。这取决于几个因素:

?如何快速将成本降下来?

?这些应用程序需要什么性能?

?将会出现什么新的应用?

?对现任的设备性能和成本还有什么高招改进？

?在高电子迁移率硅晶体管之上的异质外延的氮化镓在开关电源电子市场(由国际整流器和EPC技术推动)上可能取代低电压设备。这也取决于若干因素，但主要归结为性能（包括与常“开”装置相关联的磁阻，或具有有限的输入电压摆幅能力的常“闭”设备）和成本比率是否将提供一个有益的又名“有价值”的系统，他将迫使设计师采用。此外，还可以有在RadHard市场上用这些设备的机会。

?同质外延的碳化硅纵向设备将在约600V的开关应用上占优势，特别是对更高功率的应用，因为：

?相比在碳化硅之上的异质外延的氮化镓而言，同质外延的碳化硅将保持较低的成本。

?同质外延的碳化硅比异质外延的更容易建立在无缺陷的晶片上。

?在单质硅之上的异质外延的氮化镓可能比同质外延的碳化硅的成本更低，并且理论上比硅器件的性能更高，但适当的高电压设备结构还不存在。

?在单质硅之上的异质外延的氮化镓不具有同质外延的碳化硅的高热导率，所以我们预计同质外延的碳化硅赢得在高温下操作的主要相关参数。

?晶圆直径将继续增加来帮助降低成本。

灰色区域似乎是在低兆赫兹到S波段频率范围内的射频应用

?在要求高功率方面同质外延的碳化硅胜

?在要求介质性能方面在硅之上的异质外延的氮化镓可能有一席之地

?成本考虑将始终发挥重要作用

总结

由这两种材料可以制造许多有趣的设备。我们目前看到氮化镓被用于低功率/电压，高频率的应用中，而碳化硅被用于高功率，高电压开关电源的应用中（图六）。

美国美高森美公司应用领域

图六：半导体材料的功率和频率区域

如果碳化硅衬底被使用，成本是相似的。然而，如果使用硅作为氮化镓外延原料的衬底，则成本可能更低，而且很可能提供一种更快地获得大直径晶片的方法。人们必须意识到要增加引入外延层来补偿晶格失配带来的抵消成本。

美高森美公司目前在发展碳化硅的路线，因为：

?碳化硅设备非常适合进入市场和我们已经服务的应用领域。

?碳化硅功率设备技术（器件和材料）比氮化镓更成熟。

?碳化硅需要与公司规模相称的更低的前期投资，同时允许我们能够更容易地利用现有的基础设施。

?碳化硅的利润增长之路比氮化镓的短。

?碳化硅业务可以被用于资助氮化镓的下游产业。

?碳化硅提供了生产金属半导体场效应晶体管的可能性，而氮化镓不能。