功率半導體和5G的新寵——GaN和SiC

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


功率半導體圍繞著硅(Si)發展了半個世紀，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(Active)和場區(Field)，而Active區的擊穿電壓自然就是靠PN自己了，沒其他辦法，而場區也是最后器件電場線集中收斂的地方，這個區域的電場會很強，因此很容易在這里擊穿，所以如何提高終止區的擊穿電壓成了硅基功率器件的重點，當然發展了這么多年最行之有效也是最成熟的方法就是保護環(Guard Ring)和場板(Field Plate)或者搭配來實現終止區的耗盡區寬度進而降低表面電場，使得擊穿盡量發生于Active區的PN結。理論上只要這兩道環設計的好，都能使得器件的擊穿電壓達到理想的PN結擊穿電壓。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已經很成熟，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，其中硅基最得意的作品就是Si-IGBT和Super-Junction了。
繼續討論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發展的關鍵因素。

1）SiC制備：先說說SiC的結構吧，大家應該經?？吹?H-SiC和6H-SiC，這是指他的堆疊層數。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定的共價鍵結構，每個Si外面四個C，而每個C外面也是4個Si。從結構上看，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構，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，也是一種晶體結構而已)?，F在開始排布，第一層為A的球代表了雙層Si和C的結構，那么下一層根據共價鍵的價鍵結構可以有兩種分布，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2H、3C、4H和6H了，而這個數字呢就是代表下一次重復前堆疊的層數而已，而目前SiC的功率半導體都是用4H-SiC或者6H-SiC，主要原因是他可以拉出比較大的wafer而已。

這個結構已經有了，關鍵怎么制造出來呢？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，但是SiC的seed直徑直接決定了final wafer的直徑，所以seed必須很大。

其次是反應條件，溫度已經不是Silicon的1400C了，而是2300C，所以加熱系統已經是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！

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