SiC迎来劲敌？美国出招

最新更新时间：2024-10-11

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因为电动车行业的火热，以SiC和GaN为代表的第三代半导体在过去几年异常火热。之所以它们能够获得出色的性能，与其拥有极宽带隙有着密切的关系。

所谓带隙，是指电子和空穴从价带跃迁到导带所需的能量。其中，带隙大的半导体称为宽带隙半导体（WBG：Wide Band Gap ）。作为最广泛使用的半导体材料的Si（硅）带隙为 1.12 eV（电子伏特）。而近年来广为关注的SiC（碳化硅）和 GaN（氮化镓）的带隙都是3左右，所以它们都是宽带隙半导体。

正因为拥有如此特性，意味着宽带隙材料可以比硅更薄，以维持相同的施加电压。与相同额定电压的硅相比，较薄的 WBG 材料可降低传导和开关损耗。开关损耗降低可实现更高的开关速度，从而实现更小、更高效的电源。损耗降低还意味着 WBG 材料不会像硅那样发热。半导体的故障模式很大程度上是由于热应力。降低半导体中的热应力可延长其使用寿命并提高电源的可靠性。这使得 WBG 设备在功率半导体和未来电子应用中备受青睐。

然而，在WBG方兴未艾之际，一种名为超宽带隙 (UWBG) 半导体技术目前正在迅速崛起。美国也正在大力投入这个领域大举投资。

超宽带隙汹涌来袭，美国下注

据相关资料显示，所谓超宽带隙半导体，是指带隙能量远大于 GaN 的 3.4 eV 或 SiC 的 3.2 eV的半导体材料。这代表了一个新兴的深入研究领域，涉及材料、物理、器件和应用的广泛领域。

由于雪崩击穿的临界电场随带隙能量的增加而超线性增加，UWBG 半导体可以耐受高场，从而能够制造出用于电信、电机驱动、电网、电动汽车、工业和机车牵引控制以及其他各种应用的大功率电子设备。此外，UWBG 材料发射的光位于电磁波谱的深紫外 (UV) 部分，这对于将光子器件的工作波长扩展到紫外-可见 (UV-vis) 光谱之外非常有吸引力，从而能够应用于深紫外光电子学、量子信息科学和生物化学传感。人们还利用这类新型半导体的热稳定性和抗辐射能力，将其用于恶劣环境下的设备应用。

于是，作为全球领先的科技龙头推动者，美国国防高级研究计划局 (DARPA) 日前也宣布，将与雷神公司签订一份为期三年的合同。新合同旨在利用金刚石和氮化铝（aluminum nitride）开发“基础”超宽带隙半导体。据介绍，这份为期三年的合同将分为两个阶段，第一阶段包括开发金刚石和氮化铝半导体薄膜，并研究如何将它们集成到电子设备中。第二阶段将类似于英特尔的“tock”，通过该阶段对半导体进行优化，并使用更大直径的晶圆制造。

雷神公司表示，超宽带隙半导体 (UWBGS) 可以改善用于各种国防应用的传感器的功率传输和热行为。这将使雷神公司能够制造高度紧凑、超高功率的射频开关、限幅器和放大器。由于其卓越的热特性，它们可以集成到部署在恶劣环境中的系统中，在高温下运行。

在雷神公司看来，这份合同可能会彻底改变半导体技术。

而在更早之前，总部位于英国牛津的以化学气相沉积 (CVD) 为基础的合成金刚石材料公司 Element Six（E6，戴比尔斯集团旗下子公司）也宣布，公司正在领导由美国国防高级研究计划局 (DARPA) 设立的 UWBGS（超宽带隙半导体）计划下的一项项目，以推动下一代半导体技术的发展。

据介绍，由于金刚石具有化学和辐射惰性、高载流子迁移率、热传导和宽电子带隙等特性，因此具有提高半导体器件性能的潜力，可以减小整体尺寸、重量和功耗（SWaP）。具体到E6方面，其对DARPA UWBGS 计划的贡献将利用其在大面积 CVD 聚晶金刚石和高质量单晶 (SC) 金刚石合成方面的专业知识来实现 4 英寸设备级 SC 金刚石基板。

Element Six 首席技术专家 Daniel Twitchen 教授表示：“自 20 世纪 50 年代首次实现规模合成以来，工业金刚石已经颠覆了多个市场，我相信 UWBGS 的技术突破将有助于开启半导体行业未来 70 年的机遇。”

Element Six 的 SC 金刚石已成为 CERN 大型强子对撞机监测系统的关键推动因素，帮助发现了希格斯玻色子粒子。E6 与高功率半导体公司 ABB 合作，制造出了首款高压块状金刚石肖特基二极管。此外，该公司最近还利用其位于美国俄勒冈州波特兰的核心技术，完成了先进 CVD 设施的建设和调试，该设施由可再生能源提供动力。

E6 的尺寸大于 4 英寸的多晶金刚石芯片已经应用于电信基础设施和国防领域，既可用作最先进硅芯片的 EUV 光刻中的光学窗口，又可用作高功率密度硅和氮化镓 (GaN) 半导体器件的热管理应用。

差不多同期，美国白宫和国防部还宣布了一项重要投资，向北卡罗来纳州立大学（2024USNews美国大学排名：60）（NC State）领导的商业宽带隙半导体（CLAWS）微电子中心提供1900万美元的资金。这项资金是为了支持四个新项目，旨在提升美国在半导体研究和开发方面的能力，尤其是在对民用和军事应用至关重要的技术领域。这一举措不仅反映了美国政府对半导体技术的重视，也突显了大学在推动技术创新和国家安全方面的关键角色。

这四个项目的具体内容包括：

高介电常数电介质以提高III氮化物晶体管的性能：该项目由NC State主导，获得383万美元的初始资金，预计总价值为1154万美元。其目标是提高用于航空电子和卫星应用的先进晶体管的效率和辐射抗性。

NITride RF超越的过渡准备（T/R NITRO）：该项目由MACOM主导，获得368万美元的初始资金，预计总价值为1265万美元。它专注于开发用于电子战和电信的高频晶体管和电路的先进原型，NC State是关键合作伙伴。

先进高压碳化硅开关：该项目由GE航空航天公司主导，获得782万美元的初始资金，预计总价值为2702万美元。其目标是推进高压晶体管和设备的开发，NC State与多所大学和研究实验室合作。

使用UWBG氧化镓的先进电源开关：该项目由Kyma Technologies主导，获得352万美元的初始资金，预计总价值为1140万美元。其目标是增强氧化镓高压开关设备的性能，NC State和其他机构参与了该研究。

由此可见，美国在UWBG押下了重注。

技术前景虽好，但当下挑战重重

毋庸置疑的是，超宽带隙半导体拥有很广泛的前景，但与 GaN 和 SiC 的发展相比，所有 UWBG 材料都相对不成熟，仍处于起步阶段。

而从行业发展现状看来，UWBG 领域的大部分研究工作集中在铝镓氮合金 (Al x Ga 1–x N)、氮化硼 (BN)、金刚石以及一大类二元（以β相氧化镓 ( β- Ga 2 O 3 )为代表）和三元氧化物半导体上。这些材料的可靠掺杂性和高载流子迁移率、可用于薄膜生长的基板以及设备的成功演示促使人们对这些材料进行了广泛的研究。

首先看Al x Ga 1–x N方面，据介绍，这是一种合金 UWBG 半导体，通常具有六方纤锌矿结构。通过改变材料中的铝成分x ，其带隙可在 3.4 eV（ x = 0 时的 GaN）至 6 eV 以上（x = 1 时的 AlN）之间调整。这种可调性允许轻松形成异质结构，从而为可实现的电子设备类型提供了极大的灵活性。

此外，由于它是一种直接带隙半导体，因此适合于制造紫外线发射器。可见光和日盲光电探测器也已得到展示。Al x Ga 1–x N还可以通过加入 Si 进行n型掺杂，Si 是一种浅杂质，成分x最高可达80–85% Mg 被用作p型掺杂剂，尽管它在 GaN 的带隙中有些深（~ 160 meV），并且随着 Al 组分x的增加而变得更深。

除杂质掺杂外，Al x Ga 1–x N的一大优势是存在自发极化和压电极化，这有助于通过形成二维电子气 (2DEG) 和三维电子板对材料进行掺杂。此外，这种极化诱导掺杂方法克服了 Mg 的大热活化能，并通过场电离受体实现了高效的p型掺杂。Al x Ga 1–x N的生长通常采用金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 完成，但也采用了其他生长技术，例如等离子体辅助分子束外延 (MBE)。Al x Ga 1–x N也可以在包括蓝宝石在内的各种衬底上生长，尽管在 AlN 衬底上生长正变得越来越普遍，并且对电子设备以及紫外光电子学至关重要。

此外，在 GaN 甚至 Si衬底上生长也是可能的。虽然Al x Ga 1–x N通常在极性 c 取向上生长，但也有报道说可以生长半极性Al x Ga 1–x N。Al x Ga中深能级的物理特性1 -x N 同样是一个非常丰富的主题，其对生长条件和 Al 成分的敏感性已被证实。深能级至关重要，不仅因为它们可以补偿故意掺杂的杂质，还因为它们会影响电子器件性能（由于载流子捕获和去捕获）以及光学器件性能（由于吸收和非辐射复合）。

Al x Ga 1–x N还可能用于光子集成电路，用于定位、导航和计时。

其次，BN是与一种与碳等电子的化合物。

与碳一样，BN 可以拥有 sp2和 sp3键合相，它们分别与石墨和金刚石类似。标准温度和压力下热力学稳定相是sp2键合六方BN (h-BN)，其宽带隙 (~ 6 eV) 和形成单层的能力使其特别适合用于二维（光）电子学或作为异质外延的中间层。

BN还具有四面体配位的sp3键结构，可出现多种同质异形体。纤锌矿结构 (w-BN) 可与 III 族氮化物形成合金，并在 GaN 模板衬底上进行晶格匹配生长，以实现更宽的带隙，这对于大功率电子器件中的电荷限制或紫外-可见光光电器件中的量子垒很有用。然而，BN 在晶格参数和稳定晶相方面与 III 族氮化物非常不同；因此，很难获得硼含量超过百分之几的 B-III-N 随机合金。

BN 的另一种sp3键合多晶型是闪锌矿立方结构 (c-BN)。该结构具有非常大的带隙能 (~ 6.4 eV) ，具有仅次于金刚石的极高热导率，拥有超宽带隙 (UWBG) 家族中最高的击穿场，并且可以掺杂为n型或p型，从而使其成为未来高功率、高频和高温电子产品的有力竞争者。

然而，到目前为止，由于立方结构在环境条件下属于亚稳态，因此使用传统的 MBE 或MOCVD技术仍然难以获得器件质量的 c-BN。一般认为，无论采用何种合成方法，c-BN 的成核都需要用带电或中性离子对生长表面进行能量轰击。离子轰击程度、应变、杂质浓度和生长温度等多种因素对决定 c-BN 薄膜的质量都很重要。

至于金刚石，受到大晶圆和器件加工技术的进步，带隙为 5.5 eV 的金刚石近年来登上了高功率和高频电子器件的舞台。金刚石器件由于具有高载流子迁移率（电子4500cm ² /V s，空穴3800 cm ² /V s）、大击穿电场（> 10 MV/cm）和高热导率（2200 W/m K），其品质因数极高。

CVD 被广泛用于金刚石衬底和外延层的生长。直接芯片法（剥离）和异质外延生长是两种有前途的低成本实现大芯片的技术。

据报道，金刚石器件的高功率能力首次在具有硼掺杂p型层的肖特基势垒二极管 (SBD) 上得到证实。金刚石 SBD 的击穿场达到 > 7 MV/cm，无边缘终止。即使在高温下，金刚石 SBD 还表现出低漏电流和短关断瞬变，反向恢复时间和电荷也很短。然而，它们的比导通电阻在室温下很高，只有当环境/结温超过 200°C 时才会降低，以增加相对较深的硼受体（电离能 ~ 370 meV [ 66 ]）的激活。

对于开关器件，据报道，金属半导体场效应晶体管 (MESFET)、结型场效应晶体管 (JFET) 和深耗尽金刚石金属氧化物半导体场效应晶体管 (D3MOSFET) 可在高压或高击穿场下工作。

对于氧化物，因为具有一系列令人着迷的可调物理特性，包括从绝缘到半导体再到超导的导电性、磁性以及压电/铁电/反铁电性。这种多功能性使氧化物成为新一代电子设备中极具潜力的材料类别。电力电子和日盲紫外线检测中的应用尤其可以从超宽带隙半导体氧化物中受益。

与广泛探索的 III 族氮化物相比，这些氧化物仍处于起步阶段，但过去十年来一直受到深入研究的β-Ga 2 O 3 除外。

据介绍，单斜β-镓晶体结构（monoclinic β-gallia crystal structure ）是 Ga 2 O 3 中最热力学稳定的同质异形体。由于该材料具有 4.8 eV 的大带隙、可控的Si/Sn/Ge n型掺杂和相对较高的电子迁移率 (~ 200 cm ² /V s)，在电力电子应用领域引起了广泛关注。β- Ga 2 O 3 的临界场强大约是 SiC 和GaN的三倍，可提供更高的固有功率转换效率，并进一步扩展工作电压 - 开关频率电力电子应用空间。除此以外，近年来，人们对 Ga 2 O 3 的亚稳态同质异形体的兴趣日益浓厚，其中α -GeO 2 拥有最大的带隙，约为 5.3 eV。

此外，最近一系列的出版物预测金红石 GeO 2 (r-GeO 2 ) 是一种超宽频带半导体，其器件效率将超过 Ga 2 O 3 。r-GeO 2 的带隙 (~ 4.7 eV ) 与 Ga 2 O 3 相似。然而，它的介电常数、预测的电子和空穴迁移率以及热导率高于 Ga 2 O 3 ，从而为功率器件效率带来有益的影响。