汽車功率元器件市場前景廣闊

 汽車功率電子產品正成為半導體行業(yè)的關鍵驅動因素之一。這些電子產品包括功率元器件，是支撐新型電動汽車續(xù)航里程達到至少200英里的核心部件。

雖然智能手機的出貨量遠高于汽車(2015年為14億部[1]，汽車銷量為8,800萬輛[2])，但汽車的半導體零件含量卻高得多。汽車功率IC穩(wěn)健增長，2015 - 2020年該行業(yè)的年復合增長率預計將達8%[3]。尤其是電池驅動的電動汽車在該行業(yè)成為強勁增長推動力，2015年5月Teardown.com針對寶馬i3電動車的報告顯示，該車型物料清單中包含100多個電源相關芯片。

與遵循摩爾定律不斷縮小尺寸的先進邏輯晶體管不同，功率元器件FET通常運用更老的技術節(jié)點，使用200毫米(和更小的)硅片。然而，功率元器件在過去的幾十年中不斷發(fā)展和升級。例如，較厚的PVD鋁鍍層(3-10微米)必須沉積在功率元器件的正面，以實現(xiàn)散熱并提高電學性能。如果沒有正確沉積，厚鋁層容易出現(xiàn)晶須和錯位，導致災難性的后果。應用材料公司的Endura PVD HDR高速沉積鋁反應腔器可確保盡可能減少此類缺陷，并使沉積速率較其他與之競爭的技術高50%以上。

此外，5微米至150微米以上的厚外延硅片，進行復雜的摻雜以后，能夠實現(xiàn)低電阻(Rds)、較高的關斷電阻(Roff)和更快的開關速度。

與傳統(tǒng)外延反應腔相比，應用材料公司新推出的Centura Pronto™ ATM epi外延反應腔可提高生長速度30%以上，化學品消耗量減少25%，縮短了清潔時間，降低了設備的擁有成本。該系統(tǒng)表現(xiàn)出卓越的晶片內均勻性和電阻率，可滿足先進功率元器件需求。

半導體薄膜堆層的結構變化，例如將柵極結構從平面(橫向器件)轉換成溝道結構(垂直器件)，使得絕緣柵雙極晶體管(IGBT)能夠以更低的損耗率實現(xiàn)更快的開關速度。類似地，從多層外延技術轉向深溝槽填充工藝亦能大幅提升超結MOSFET(SJM)的性能。

蝕刻工藝需要一些改進和調整，以適應這些方案，其中包括更高的深寬比結構。經(jīng)改進后的外延硅膜和注入摻雜分布也能增強產品性能。

功率元器件制造商不斷精益求精。公開資料顯示日立的高導電性IGBT采用單獨的浮動P層，以提高柵極可控性和接通電壓。ABB半導體在溝槽柵下構建P型柱狀注入，以產生超結效應，從而達到更快的開關速度。

通過減薄晶片厚度，可有效減少高速開關的存儲電荷。富士電機最近研發(fā)出漂移層更薄、溝槽間距更小、電場終止層更強的第七代IGBT。

然而，專家們紛紛意識到，硅基器件的各項性能已接近極限。功率元器件由于受到硅材料本身的限制，每一次性能的提升僅能帶來些許改進。

寬禁帶功率元器件

功率IC產業(yè)在尋找新的寬禁帶(WBG)材料，使半導體性能提升到全新的水平。碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)是當前的首選材料，兩者均有一定的優(yōu)勢及劣勢。作為半導體復合材料，他們具有更大的禁帶寬度和擊穿場強，制成的功率元器件具有硅材料無法匹敵的性能。他們被廣泛認為將引領下一代功率元器件，開啟半導體時代大變革。圖1顯示了SiC和GaN在終端市場應用的一般電壓范圍。

圖1：寬禁帶功率元器件能增強電動車及其他系統(tǒng)的性能，但材料成本是一大挑戰(zhàn)

(資料來源：YoleDéveloppement和應用材料公司)

變革伴隨著新的挑戰(zhàn)，寬禁帶功率IC產業(yè)也不例外。成本是目前最大的阻礙，包括晶片翹曲導致的生產困難以及與襯底和外延處理相關的高缺陷率。根據(jù)市場研究公司YoleDéveloppement(法國里昂)的數(shù)據(jù)，目前6英寸SiC襯底加上外延晶片的成本到達千美元級別，而且隨著對器件缺陷的控制日益嚴格，該成本可能迅速攀升。

之后的加工流程也面臨重重挑戰(zhàn)。例如，需要在接近2000°C的高溫下進行退火，而硅材料常用的退火反應器與這一溫度相去甚遠。另外，SiC的注入工藝也相當復雜。

鑒于寬禁帶功率元器件應用前景廣闊，多家公司、集團和大學研究中心都致力于解決種種阻礙。事實上，目前SiC和GaN產品均已投入使用，盡管數(shù)量有限。然而，在成本未顯著降低前，寬禁帶產品的優(yōu)勢 —— 包括節(jié)省功率、簡化電路以及減小模塊尺寸 —— 與硅襯底相比難以轉化為豐厚的投資回報。

舉例而言，常用的汽車逆變器箱可能含有40多個功率晶體管和二極管。若采用SiC可簡化電路、減少零件并使模組尺寸最多縮小80%。半導體新材料需在器件尺寸、材料成本和能量節(jié)省方面均取得突破才能較硅功率元器件產生明顯增值(見表1)。

*對應異質結構的值

表1: GaN及SiC與當前硅功率元器件相比都展現(xiàn)出優(yōu)異的禁帶寬度和擊穿場強

(資料來源：F. Iacopi等2015年5月發(fā)表于MRS Bulletin;斯坦福大學Jim Plummer博士)

幸好半導體工藝流程中的其他步驟，例如CVD、PVD、etch和CMP，對于寬禁帶功率元器件來說相對容易，因為一般加工工藝與硅材料非常相似。雖然加工工藝及硬件都需小幅調整，但現(xiàn)有技術可適用于寬禁帶產品的生產。

以GaN為材料的功率元器件在消費，通信和汽車應用中潛力巨大，但GaN也有缺點，包括晶片成本和工藝整合。受到GaN生產的尺寸限制，目前市場上只有生產2英寸的GaN晶圓，以GaN為材料的器件主流是以Si為基礎。 然而GaN和Si之間的晶格不匹配，需要有緩沖層, 例如AIN/AIGaN，受當前的架構限制，GaN設備為常開型，這會產生可靠性問題并影響市場接受度。GaN器件需要進行改進來克服這個缺點。因此，雖然寬禁帶器件的性能優(yōu)勢毋庸置疑，但該器件是否能解決成本問題，實現(xiàn)量產仍是一個問號。

在應用材料公司近期舉辦的功率元器件研討會上，斯坦福大學教授Jim Plummer建議，若要使這些新產品在市場上取得成功，是值得去尋找一個硅材料無法競爭的新領域。Plummer認為此舉能夠增加產量，從而有助于降低晶片成本。