Si基GaN功率器件的发展态势分析

　　2013年9月5日，首届“第三代半导体材料及应用发展国际研讨会”在深圳成功召开，来自中科院半导体研究所、南京大学、北京大学、科锐公司、西安电子科技大学等研究机构以及企业的近百名人士参加了此次会议。

　　苏州能讯高能半导体有限公司董事长张乃千先生在会上做了以《si基GaN功率器件的发展态势分析》为题的报告，通过详细讲解氮化镓(GaN)的优势、硅(si)基氮化镓的产品优势、氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)电力电子器件的关系、LED介入氮化镓功率器件可选的商业模式和影响等等方面的内容，介绍了发展硅基氮化镓的功率器件的原因、硅基氮化镓半导体的行业状况、氮化镓功率材料与器件的市场前景和硅基氮化镓功率半导体的技术发展方向。

　　他首先简单以美国为例介绍了基于半导体技术应用的节能情景，他表示，半导体技术应用以后，美国每年的节省的电费达到万亿美元，采用新一代功率器件后，电力损耗还能再减少30%。

　　他指出氮化镓相比较硅的优点包括三个方面，第一点是导通电阻比较低，氮化镓的导电阻比硅低1000倍左右;第二点是速度很快，氮化镓的开关速度比硅高100倍左右，功率密度提升;第三点是耐高温，GaN可以在500 ℃以上的高温环境使用。

　　在氮化镓和碳化硅电子器件之间的关系方面，张乃千董事长表示，氮化镓比较适合900v以下的器件，它是一个平面器件;从材料方面它们不是一个材料，它的优势是氮化镓的原材料可以依托庞大的照明产业，成本较低：氮化镓可以一直生长在一个大的硅片上，既可以降低控制成本，又可以投入大规模生产;氮化镓的规模化是很重要的，氮化镓(GaN)器件制作需要的设备可借助于硅工业，易于大规模产业化。

　　张乃千就氮化镓器件的市场前景对市场空间和市场大小做了简单介绍，他说，今年所有的半导体器件加一起包括材料，大概有不到200亿美元，到2020年可能将达到400亿美元，它的发展相对平稳，不像LED企业起伏比较大。

　　而在这个市场中，大概有三分之二的市场属于工业电压比较低的的900v以下，高于900v的占三分之一，氮化镓比较适合于大概三分之二的市场，这个市场相当的大。

　　氮化镓行业发展状况方面，张乃千指出，在行业发展中，氮化镓起步比较早，通过政府和行业的的推动，氮化镓行业1993年出现了UCSB第一个氮化镓射频器件， 1999年出现了第一个氮化镓电子电力器件，2007年在 6寸硅衬底上长出了氮化镓，基本从应用的角度开始了推进;而美国欧洲也分别在2002年和2007年启动了推动计划;2013年出现了通过了JEDEC质量标准的硅基氮化镓功率器件，同时中国科技部推出了第三代半导体863计划。

　　张乃千说，目前进入硅基氮化镓这个行业的大概有五种企业，分别是硅功率半导体企业、化合物半导体企业、硅集成电路企业、氮化镓风险企业和LED照明企业。其中世界排名前20的功率半导体企业基本上都在做，现在基本找不到不做硅基氮化镓的功率半导体企业; LED照明的企业做氮化镓也是非常合适的，LED照明最主要的是材料，材料引领产业，LED的MOCVD产能相当大，不仅能够满足LED的发展,也还能够满足电子器件的发展。LED厂商也可以多样化经营，可以把过剩的产能分配给功率电子，能够逐渐走进硅基氮化镓这个行业。虽然LED转向氮化镓有很大的优势，但也并不是想转就能转的，从材料来讲需要要达到6寸、8寸的变化，器件的制作和设计与LED有一定差异。因此LED需要将衬底从蓝宝石衬底变为大尺寸Si衬底,还要学习和使用功率器件设计和加工技术。

　　LED介入氮化镓功率器件的商业模式有两种，张乃千指出，第一种是自己做，包括生产氮化镓外延材料并制造功率器件，第二种是提供氮化镓功率外延片给器件生产商。

　　张乃千说，LED行业介入氮化镓功率器件最有诱惑的一点是它的成本可以削减，在LED的发展过程中，固定资产的投入折旧占了很大一部分，从这个角度讲，外延的成本能够削减20%，总体而言成本可以削减10%左右。

　　张乃千提出，在所有工艺半导体成长中，随着氮化镓材料可以在6寸到8寸的晶圆上生长之后，制作很快也会朝着6寸到8寸发展。他说，未来氮化镓的主要发展方向是6寸到8寸，并以8寸为主。

　　同时，他还指出了氮化镓在发展之初存在的7个技术问题：

　　外延技术：外延技术具有很大的热失配和晶格失配难点，特别是热失配，需要运用应力工程的方法才能把外延上没有晶圆的变成有晶圆的，比如说2007年IMEC运用应力工程，在4寸和6寸Si衬底上使用AlN成核层和AlGaN中间层制作了功率器件，现在华测、三星等企业都能生产比较的好的氮化镓材料。

提高击穿电压：氮化镓和碳化硅不一样，制作结构中对击穿电压有很多要求，除