汽车功率元器件市场前景广阔

　　虽然智能手机的出货量远高于汽车(2015年为14亿部[1]，汽车销量为8,800万辆[2])，但汽车的半导体零件含量却高得多。汽车功率IC稳健增长，2015 - 2020年该行业的年复合增长率预计将达8%[3]。尤其是电池驱动的电动汽车在该行业成为强劲增长推动力，2015年5月Teardown.com针对宝马i3电动车的报告显示，该车型物料清单中包含100多个电源相关芯片。

　　与遵循摩尔定律不断缩小尺寸的先进逻辑晶体管不同，功率元器件FET通常运用更老的技术节点，使用200毫米(和更小的)硅片。然而，功率元器件在过去的几十年中不断发展和升级。例如，较厚的PVD铝镀层(3-10微米)必须沉积在功率元器件的正面，以实现散热并提高电学性能。如果没有正确沉积，厚铝层容易出现晶须和错位，导致灾难性的后果。应用材料公司的Endura PVD HDR高速沉积铝反应腔器可确保尽可能减少此类缺陷，并使沉积速率较其他与之竞争的技术高50%以上。

　　此外，5微米至150微米以上的厚外延硅片，进行复杂的掺杂以后，能够实现低电阻(Rds)、较高的关断电阻(Roff)和更快的开关速度。

　　与传统外延反应腔相比，应用材料公司新推出的Centura Pronto™ ATM epi外延反应腔可提高生长速度30%以上，化学品消耗量减少25%，缩短了清洁时间，降低了设备的拥有成本。该系统表现出卓越的晶片内均匀性和电阻率，可满足先进功率元器件需求。

　　半导体薄膜堆层的结构变化，例如将栅极结构从平面(横向器件)转换成沟道结构(垂直器件)，使得绝缘栅双极晶体管(IGBT)能够以更低的损耗率实现更快的开关速度。类似地，从多层外延技术转向深沟槽填充工艺亦能大幅提升超结MOSFET(SJM)的性能。

　　蚀刻工艺需要一些改进和调整，以适应这些方案，其中包括更高的深宽比结构。经改进后的外延硅膜和注入掺杂分布也能增强产品性能。

　　功率元器件制造商不断精益求精。公开资料显示日立的高导电性IGBT采用单独的浮动P层，以提高栅极可控性和接通电压。ABB半导体在沟槽栅下构建P型柱状注入，以产生超结效应，从而达到更快的开关速度。

　　通过减薄晶片厚度，可有效减少高速开关的存储电荷。富士电机最近研发出漂移层更薄、沟槽间距更小、电场终止层更强的第七代IGBT。

　　然而，专家们纷纷意识到，硅基器件的各项性能已接近极限。功率元器件由于受到硅材料本身的限制，每一次性能的提升仅能带来些许改进。

　　宽禁带功率元器件

　　功率IC产业在寻找新的宽禁带(WBG)材料，使半导体性能提升到全新的水平。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)是当前的首选材料，两者均有一定的优势及劣势。作为半导体复合材料，他们具有更大的禁带宽度和击穿场强，制成的功率元器件具有硅材料无法匹敌的性能。他们被广泛认为将引领下一代功率元器件，开启半导体时代大变革。图1显示了SiC和GaN在终端市场应用的一般电压范围。

　　图1：宽禁带功率元器件能增强电动车及其他系统的性能，但材料成本是一大挑战

　　(资料来源：YoleDéveloppement和应用材料公司)

　　变革伴随着新的挑战，宽禁带功率IC产业也不例外。成本是目前最大的阻碍，包括晶片翘曲导致的生产困难以及与衬底和外延处理相关的高缺陷率。根据市场研究公司YoleDéveloppement(法国里昂)的数据，目前6英寸SiC衬底加上外延晶片的成本到达千美元级别，而且随着对器件缺陷的控制日益严格，该成本可能迅速攀升。

　　之后的加工流程也面临重重挑战。例如，需要在接近2000°C的高温下进行退火，而硅材料常用的退火反应器与这一温度相去甚远。另外，SiC的注入工艺也相当复杂。

　　鉴于宽禁带功率元器件应用前景广阔，多家公司、集团和大学研究中心都致力于解决种种阻碍。事实上，目前SiC和GaN产品均已投入使用，尽管数量有限。然而，在成本未显著降低前，宽禁带产品的优势 —— 包括节省功率、简化电路以及减小模块尺寸 —— 与硅衬底相比难以转化为丰厚的投资回报。

　　举例而言，常用的汽车逆变器箱可能含有40多个功率晶体管和二极管。若采用SiC可简化电路、减少零件并使模组尺寸最多缩小80%。半导体新材料需在器件尺寸、材料成本和能量节省方面均取得突破才能较硅功率元器件产生明显增值(见表1)。

　　*对应异质结构的值

　　表1: GaN及SiC与当前硅功率元器件相比都展现出优异的禁带宽度和击穿场强

　　(资料来源：F. Iacopi等2015年5月发表于MRS Bulletin;斯坦福大学Jim Plummer博士)

　　幸好半导体工艺流程中的其他步骤，例如CVD、PVD、etch和CMP，对于宽禁带功率元器件来说相对容易，因为一般加工工艺与硅材料非常相似。虽然加工工艺及硬件都需小幅调整，但现有技术可适用于宽禁带产品的生产。

　　以GaN为材料的功率元器件在消费，通信和汽车应用中潜力巨大，但GaN也有缺点，包括晶片成本和工艺整合。受到GaN生产的尺寸限制，目前市場上只有生产2英寸的GaN晶圆，以GaN为材料的器件主流是以Si为基础。 然而GaN和Si之间的晶格不匹配，需要有缓冲层, 例如AIN/AIGaN，受当前的架构限制，GaN设备为常开型，这会产生可靠性问题并影响市场接受度。GaN器件需要进行改进来克服这个缺点。因此，虽然宽禁带器件的性能优势毋庸置疑，但该器件是否能解决成本问题，实现量产仍是一个问号。

　　在应用材料公司近期举办的功率元器件研讨会上，斯坦福大学教授Jim Plummer建议，若要使这些新产品在市场上取得成功，是值得去寻找一个硅材料无法竞争的新领域。Plummer认为此举能够增加产量，从而有助于降低晶片成本。