如今，我們已經(jīng)無(wú)法想象沒(méi)有電的生活了。我們生活的各個(gè)方面越來(lái)越依賴于電力。而在電力的生產(chǎn)、分發(fā)和使用過(guò)程中，功率轉(zhuǎn)換起著至關(guān)重要的作用。
首先，讓我們先理解一下功率轉(zhuǎn)換。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，功率轉(zhuǎn)換是一種將電力從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式的過(guò)程。這種轉(zhuǎn)換可能涉及電壓、電流、頻率的變化，從而使電力適合特定應(yīng)用的需求。例如，當(dāng)我們?cè)诩依锸褂秒娨?、冰箱或者其他電子設(shè)備時(shí)，我們正在使用的電力都經(jīng)過(guò)了轉(zhuǎn)換。這些電器設(shè)備需要將電網(wǎng)供應(yīng)的交流電轉(zhuǎn)換為它們可以使用的直流電。此外，電力轉(zhuǎn)換也在風(fēng)力或太陽(yáng)能等可再生能源的生產(chǎn)過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，將生產(chǎn)的電力轉(zhuǎn)換為我們?nèi)粘Ｉ钪锌梢允褂玫男问健?/p>
然而，每次進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換時(shí)，都會(huì)有一部分能量損失。盡管這部分能量看似微不足道，但由于我們?nèi)粘Ｉ钪械脑S多設(shè)備需要不斷運(yùn)行，所以這些能量損失累計(jì)起來(lái)就是很龐大的數(shù)字。因此，提高電力轉(zhuǎn)換的效率就顯得尤為重要。此外，功率轉(zhuǎn)換技術(shù)的改進(jìn)也對(duì)減少碳排放，對(duì)環(huán)境保護(hù)有著積極的影響。
問(wèn)題來(lái)了，如何提高電力轉(zhuǎn)換的效率？這可能是一個(gè)復(fù)雜的工程和科學(xué)領(lǐng)域的問(wèn)題，提高效率的方法可能涉及設(shè)計(jì)、材料、控制策略等多方面，具體包括選擇合適的電力轉(zhuǎn)換拓?fù)?、使用先進(jìn)的半導(dǎo)體材料、使用先進(jìn)的算法優(yōu)化控制策略、改進(jìn)散熱設(shè)計(jì)等等。
在眾多方法中，改進(jìn)功率器件材料是當(dāng)下行業(yè)熱衷于做的一件事。從最初的Si到SiC/GaN，功率器件已經(jīng)展現(xiàn)出了明顯的效率轉(zhuǎn)換提升優(yōu)勢(shì)。隨著行業(yè)不斷探索更多新型材料，功率器件將迎來(lái)更大的發(fā)展突破。
功率器件的材料演進(jìn)之路
硅作為最常用的半導(dǎo)體材料之一，占據(jù)了功率器件市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。它的主要優(yōu)點(diǎn)是資源豐富、工藝成熟和成本較低。然而，這一材料的電子遷移率較低，耐壓和頻率上限也相對(duì)有限，限制了其在某些高端應(yīng)用中的使用。
碳化硅（SiC）以其寬禁帶特性逐漸在高功率和高溫場(chǎng)合受到歡迎。其高耐受電壓、低導(dǎo)通損耗和良好的高溫性能使其在許多應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)，正在逐漸蠶食硅的市場(chǎng)份額。但相對(duì)較高的成本則是其普及的一大障礙。
氮化鎵也是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，GaN優(yōu)點(diǎn)是高電子遷移率，低導(dǎo)通損耗，適合高頻應(yīng)用。但缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜，成本相對(duì)較高。
目前市面上主要采用上述這幾種材料來(lái)制造功率器件，但與此同時(shí)，行業(yè)也正在不斷探索新型材料。尤其是氧化鎵和金剛石，這兩種材料正在受到越來(lái)越多的關(guān)注。
氧化鎵，作為一種相對(duì)較新的半導(dǎo)體材料，相比碳化硅、氮化鎵具有更寬的禁帶寬度（約 4.9eV 禁帶寬度），以及具有 8MV/cm 的理論臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)。其高擊穿電場(chǎng)和較低的損耗顯示出巨大的潛力，但由于制造工藝相對(duì)不成熟，目前其應(yīng)用仍處于探索階段。未來(lái)，氧化鎵有望在高壓和高效的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中找到其位置。
金剛石被認(rèn)為是終極半導(dǎo)體，因?yàn)樗谠S多方面的性能優(yōu)于市場(chǎng)上的舊材料（如硅、砷化鎵）和新材料（如氮化鎵和碳化硅）。與其他半導(dǎo)體材料相比，金剛石具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：
不同半導(dǎo)體材料對(duì)功率器件的影響
（來(lái)源：Diamfab）
極高的熱導(dǎo)率、優(yōu)異的電絕緣性能和高溫穩(wěn)定性：金剛石是一種在高溫下穩(wěn)定的材料，其電性能在超過(guò)2000°C的溫度下不會(huì)惡化，遠(yuǎn)超其他半導(dǎo)體材料。
卓越的電氣性能：金剛石的臨界電場(chǎng)比硅高30倍，比碳化硅高3倍。與大多數(shù)半導(dǎo)體不同，金剛石的電阻率隨溫度升高而降低，這使其在高溫環(huán)境中表現(xiàn)出色。
超高電流密度和電壓：與硅相比，金剛石的電流密度高出5000倍，電壓高出30倍。這使其能夠在高溫和輻射的惡劣環(huán)境下工作，適用于極端條件下的應(yīng)用。
廣泛的應(yīng)用潛力：盡管制造工藝復(fù)雜且成本高昂，金剛石在高溫、高壓和高功率的極端環(huán)境中的潛力仍然巨大。其應(yīng)用范圍涵蓋了電動(dòng)汽車、具有20年長(zhǎng)壽命電池的物聯(lián)網(wǎng)、使用硬化電子元件或探測(cè)器的核能和空間應(yīng)用，以及用于自動(dòng)駕駛汽車的超精確量子傳感器等領(lǐng)域。
氧化鎵商業(yè)化愈發(fā)臨近
在氧化鎵的研發(fā)方面，日本走在時(shí)代前列。
日本東京國(guó)家信息通信技術(shù)研究所 (NICT)的Masataka Higashiwaki是第一個(gè)認(rèn)識(shí)到β-Ga2O3在電源開(kāi)關(guān)中潛力的人。2012年，他的團(tuán)隊(duì)報(bào)告了第一個(gè)單晶β-Ga2O3晶體管，令整個(gè)半導(dǎo)體器件界感到驚訝。他們制造的這種晶體管屬于一種叫做金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的器件。那么，這種晶體管有多優(yōu)秀呢？評(píng)估功率晶體管優(yōu)劣的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是“擊穿電壓”，也就是說(shuō)，這個(gè)器件能在什么電壓下阻止電流通過(guò)而不被破壞。Higashiwaki的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新制造的這種晶體管，其擊穿電壓高達(dá)250V以上，非常出色。作為對(duì)比，氮化鎵（GaN）晶體管花了近二十年的研發(fā)，才實(shí)現(xiàn)了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
此后幾年，日本不少公司都在研發(fā)氧化鎵。其中日本的一家公司Novel Crystal Technology（NCT）是世界上最早開(kāi)發(fā)、制造和銷售功率半導(dǎo)體用氧化鎵晶圓的公司之一，該公司成立于2015年，其技術(shù)就是基于田村株式會(huì)社、日本國(guó)立信息通信技術(shù)研究所（NICT）和東京農(nóng)工大學(xué)在氧化鎵的研究成果。
2023年7月28日，日本功率半導(dǎo)體巨頭三菱電機(jī)集團(tuán)宣布，投資了Novel Crystal Technology，用于加快研究開(kāi)發(fā)高性能低損耗氧化鎵(Ga2O3)功率半導(dǎo)體，為實(shí)現(xiàn)低碳社會(huì)做出貢獻(xiàn)。早在2021年，Novel Crystal Technology就已成功量產(chǎn)4英寸氧化鎵晶圓，并開(kāi)始供貨。去年該公司計(jì)劃投資約20億日元，為其工廠添加設(shè)備，到2025年，建成年產(chǎn)2萬(wàn)片4英寸的氧化鎵晶圓生產(chǎn)線。而且該公司計(jì)劃在2023年供應(yīng)6英寸晶圓。
三菱電機(jī)希望將其長(zhǎng)期積累的低功率損耗、高可靠性功率半導(dǎo)體產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造技術(shù)與Novel Crystal Technology公司的氧化鎵晶圓制造技術(shù)相結(jié)合，加快開(kāi)發(fā)卓越節(jié)能的氧化鎵功率半導(dǎo)體。
金剛石的諸多挑戰(zhàn)正在被攻克
如上文所述，金剛石對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)來(lái)說(shuō)是一種很有前景的材料，但該技術(shù)要成為工業(yè)現(xiàn)實(shí)，仍需克服許多障礙。
（一）晶圓切割：由于缺乏有效地將金剛石切成薄晶圓的技術(shù)，其應(yīng)用受到限制。晶圓必須一張一張地合成，這使得制造成本對(duì)于大多數(shù)行業(yè)來(lái)說(shuō)都過(guò)高。
現(xiàn)在，由千葉大學(xué)工程研究生院的Hirofumi Hidai教授帶領(lǐng)的日本研究團(tuán)隊(duì)找到了切成薄晶圓的方法。這種基于激光的切割技術(shù)用于沿著最佳的晶體面整齊地切割金剛石，從而制造出平滑的晶片。為防止不必要的裂紋沿晶格擴(kuò)散，研究人員開(kāi)發(fā)了一種處理技術(shù)，將短激光脈沖集中在材料內(nèi)的窄錐體積上。Hidai教授解釋說(shuō)：“集中的激光照射會(huì)將金剛石轉(zhuǎn)化為密度低于金剛石的非晶碳。因此，被激光脈沖改變的區(qū)域會(huì)發(fā)生密度減小和裂紋形成。”
金剛石切片能夠以低成本生產(chǎn)高質(zhì)量的晶圓，對(duì)于制造金剛石半導(dǎo)體器件是必不可少的。因此，這項(xiàng)研究使我們更接近實(shí)現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體在社會(huì)中的各種應(yīng)用，例如提高電動(dòng)汽車和火車的功率轉(zhuǎn)換率。
（二）外延片：在制造金剛石器件所需的所有工業(yè)過(guò)程中，外延層的生長(zhǎng)是最關(guān)鍵的過(guò)程之一，因?yàn)榇蟛糠蛛姎庑阅苋Q于這些有源層的質(zhì)量。
法國(guó)的一家名為Diamfab的初創(chuàng)公司，正在研究生產(chǎn)金剛石外延晶片。Diamfab是法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心 (CNRS) 的附屬機(jī)構(gòu)。CNRS的寬帶隙半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì) (SC2G) 30 年來(lái)一直致力于為具有挑戰(zhàn)性的電子應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)發(fā)高質(zhì)量合成金剛石。
Diamfab用甲烷來(lái)生產(chǎn)金剛石，甲烷是一種可以通過(guò)自然和生物手段生產(chǎn)且不受資源限制的氣體。使用兩種工藝來(lái)合成它：HPHT（高壓高溫）或 MPCVD（微波等離子體化學(xué)氣相沉積）
通過(guò)獨(dú)特的控制來(lái)合成和摻雜金剛石外延層，他們開(kāi)發(fā)了利用微波產(chǎn)生的等離子體在受控溫度和壓力條件下合成和摻雜金剛石外延層的IP。這會(huì)將甲烷分子裂解成碳，然后碳在金剛石種子的表面上重新排列。同時(shí)，添加精確且受控?cái)?shù)量的硼或氮以生長(zhǎng)金剛石摻雜層并形成準(zhǔn)備用于器件制造的高附加值晶圓。因此，金剛石摻雜層的堆疊被生長(zhǎng)以形成高附加值的晶圓，為設(shè)備制造做好準(zhǔn)備。
Diamfab瞄準(zhǔn)的是金剛石在電動(dòng)汽車市場(chǎng)中的應(yīng)用。在汽車應(yīng)用中，Diamfab晶圓可以制造重量減輕80%、結(jié)構(gòu)更緊湊的電源轉(zhuǎn)換器。在電網(wǎng)應(yīng)用中，與硅相比，晶圓還可以更輕松地處理更高的電壓，并將能量損失減少10倍。Diamfab 表示，預(yù)計(jì)十年內(nèi)所有電動(dòng)汽車都將采用金剛石材質(zhì)。
此外，化學(xué)氣相沉積 (CVD) 技術(shù)的進(jìn)步也大大加速了金剛石的發(fā)展，這有望將金剛石晶圓實(shí)現(xiàn)4英寸。Diamfab公司越來(lái)越看到金剛石發(fā)展的契機(jī)，他們有一個(gè)明確的路線圖，到2025年實(shí)現(xiàn)4英寸晶圓，作為大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵推動(dòng)因素。目標(biāo)是在未來(lái)五到七年內(nèi)增加產(chǎn)量。
（三）器件研發(fā)：總部位于東京的 Orbray Co Ltd和位于日本愛(ài)知縣南山的汽車半導(dǎo)體研究公司 MIRISE Technologies Corp已開(kāi)始合作開(kāi)發(fā)未來(lái)在各種電動(dòng)汽車中部署垂直金剛石功率器件所需的技術(shù)。
在研究合作中，Orbray將負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)p型導(dǎo)電金剛石基板，而MIRISE將負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)高壓操作器件結(jié)構(gòu)，以驗(yàn)證垂直金剛石功率器件的可行性。據(jù)悉，今年年初，日本佐賀大學(xué)教授Kazuki Yosda 和Orbray開(kāi)發(fā)出了工作功率為每平方厘米 875 兆瓦的由金剛石制成的功率半導(dǎo)體，這是世界上輸出功率值最高的半導(dǎo)體。
結(jié)語(yǔ)
從硅到金剛石，不同的半導(dǎo)體材料各自展示了獨(dú)特的性能和優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)著技術(shù)不斷進(jìn)步，為構(gòu)建低碳未來(lái)提供了有力支撐。這些材料的不斷演進(jìn)和創(chuàng)新，正是為了滿足全球?qū)δ茉葱屎涂沙掷m(xù)發(fā)展的日益增長(zhǎng)的需求。與此同時(shí)，圍繞著功率器件的競(jìng)賽，也即將邁入下一個(gè)新賽道，因此，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體廠商在這些先進(jìn)半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)亟需加快步伐。（文：半導(dǎo)體行業(yè)觀察）