浅谈功率半导体的未来

来源：罗姆半导体社区

制造工艺、材料和包装技术的进步，加上新的应用领域的出现，正在为宽带隙器件创造各种各样的复苏。

电子制造业正以高于美国GDP的稳定速度增长，部分原因是电力设备已经在信息技术、电机驱动、电网基础设施、汽车和航空航天等不同市场领域进入高价值产品领域。前三个是成熟市场，而电气航天和汽车正在发展。

对于发电行业来说，电力设备的进步正在继续推动高效可靠的电网基础设施。目前，高达40%的发电功率在发电和最终使用之间通过电力电子器件。随着数据中心应用程序的功耗相对于总功耗的增长，数据中心架构依赖于高效的设计。电力电子技术的革新推动了更多的电力航天应用，例如没有配备更多或全电力发动机的液压网络。

在电动汽车中，动力装置用于储能、电力驱动和动力转换、车内、热力、动力总成和底盘。电动汽车的采用为电力电子提供了一个巨大的机遇。预计到2022年，它的市场规模将增至30亿美元。

驱动生长的两大技术是SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓），这得益于其优越的材料性能。碳化硅通常用于大功率应用（10千伏及以上），具有开关损耗低、成本低的优点，但可靠性较低。GaN通常用于高速应用（更高的开关频率）。其他优点是工作温度高，击穿电压高，更坚固，可靠，抗辐射能力强。但它存在材料失配（Si或SiC上的GaN）和成本较高的缺点。该表提供了关键材料特性的摘要。

由于市场容量有限，直到最近，这一领域的制造业还没有太大进展。这个行业基本上能满足2英寸和4英寸的需求。晶圆直径加工到最近十年结束。工业采用6英寸。几年前的晶圆和使用8英寸的有限产量。晶圆加工是需求回升的迹象。

然而，它与数字逻辑产业相比相形见绌，后者已迁移到12英寸。很久以前的晶圆加工。显然，有需求就有供应。在未来几年，由不断发展的应用和制造业的成熟度（在成本和缺陷减少方面）驱动的电力设备的市场采用将是主要的增长动力。

让我们来看一个主要方面，它涉及到所谓的外部缺陷，这些缺陷主要源于制造过程本身。外延沉积是缺陷产生的重要工艺步骤之一。使用此步骤形成大块漂移层。这是一个很长的加工步骤，需要有高纯度，但它有很高的倾向，产生更多的缺陷。

随后的另一个关键步骤是所谓的离子注入，即在体层中加入适当的掺杂剂。为了获得均匀的厚度，需要严格控制整个晶圆和晶圆与批次之间的工艺变化。超出公差的变化会显著改变设备特性。

器件性能指标，如击穿电压，这是通过器件阻塞电压的指示，是由工艺质量以厚度和掺杂均匀性的形式决定的。栅氧化层中较高的缺陷密度可能是诸如时变介质击穿（TDDB）等失效机制的限制因素。

制造技术的进步将不仅在实现大批量生产能力方面发挥关键作用，而且还将向市场提供高质量的产品。

审核编辑黄宇