优化衬底助推第三代半导体实现汽车创新

材料决定器件,创新推进应用,规模降低成本。

文︱立厷

图︱网络

Gartner研究显示,2019年全球汽车半导体市场规模达410亿美元,预计2022年有望达到651亿美元,占全球半导体市场比例有望达到12%,并成为半导体细分领域中增速最快的部分。

的确,伴随近年来5G的部署,汽车产业出现了互联网化、自动化、共享化、电动化的“CASE”四化趋势。随着消费者对汽车安全、舒适、便利和娱乐要求的提升,汽车将逐步走向电动化、智能化和网联化,并将推动微处理器、存储器、功率器件、传感器、车载摄像头、雷达等广泛应用,促使汽车半导体的用量不断提升,为功率半导体产业的上下游供应链带来了机遇,同时也带来了很多挑战。

事实上,下游客户的创新需求首先要由最基础的半导体材料来满足,只有他们在晶圆制造方面提供了应用某种技术的可能性,最终客户才能充分发挥自己的想象,做出更多创新的功能。

作为设计和生产创新性半导体材料的企业,Soitec从1992年公司成立直到现在都在使用一种称为Smart CutTM的技术,对硅、碳化硅、蓝宝石衬底(生长外延层的洁净单晶薄片)等各种半导体材料进行切割,其优化衬底已经非常成熟,一年来该公司更将重点转向了5G和汽车行业的战略布局,特别是在开发第三代宽带隙半导体材料方面获得了长足进展。

何为衬底、晶圆?

晶圆是制作集成电路用的晶片,各种电路元件结构都是在其上蚀刻形成的。晶圆是用高纯度多晶硅形成的圆柱形单晶硅棒,经研磨、切片、抛光后形成的。其形如圆片,所以叫晶圆。

晶圆制备包括衬底(substrate)制备和外延(epitaxy)工艺。作为衬底使用的晶圆片可以直接进入晶圆制造环节生产半导体器件,也可以进行外延工艺加工生产外延片。外延是在单晶衬底上生长的一层新的单晶,新单晶可以与衬底为同一材料,也可以是不同材料。

从单晶硅棒到最终应用的价值链

汽车产业的功率半导体机遇

汽车行业目前的创新大趋势是四化。到2030年,5G汽车的销量将超过1600万辆,L3及以上自动驾驶车型的销量将达700万辆,电动汽车销量将达2300万辆。这给整个汽车产业和相关行业带来了很多变化。

可以肯定地说,在特斯拉获得成功之后,汽车产业已经不再是传统产业,它出现了一些结构上的变化,也为相关产业带来了许多机会。

汽车行业趋势的变迁

Soitec中国区战略发展总监张万鹏认为,汽车创新的关键在于互联、电动化、自动化、共享的等电子系统的创新。

张万鹏

他表示,2007年,当时整车成本中电子系统的成本可能只有约20%,预计到2030年将可达到50%。这表明汽车行业创新关键在于电子系统。如果将这些按照CASE来细分,每个部分增长的成本可能会从2%到22%,这将给整个半导体行业和电子设计行业带来更多机会。

汽车创新的关键

而对于电动汽车来说,整个动力系统及成本都在发生变化。功率半导体器件的成本将从200美金增加至450美金,这当中80%的是碳化硅、氮化镓等功率MOSFET的成本。

不同混动系统对功率器件的需求也不一样

汽车网联、自动化及共享和电动汽车的创新和设计将遇到诸多挑战,如,怎样提高汽车能效,从而延长行驶里程;怎样实现汽车的优化通信;怎样进行整个系统的高效集成,实现有助于自动驾驶的更好的感知和显示;此外,还有汽车的可靠性、电池安全性,以及大规模推广的成本。

没错,碳化硅的大规模应用一直受供应量、良率及成本等因素的限制。Soitec与应用材料公司启动新一代碳化硅衬底联合研发项目旨在通过提供先进技术与产品,提高碳化硅的可用性及性能,突破上述限制,满足电动汽车、通信及工业应用领域对碳化硅不断增加的需求,持续为行业创造更高价值。

什么是智能切割?

Soitec全球战略执行副总裁Thomas Piliszczuk博士介绍说,Smart CutTM是自主研发的技术。通过智能切割,Soitec专利的晶圆键合和层分离技术使得将一层薄薄的晶体材料从施主衬底转移到另一衬底成为可能,克服了物理限制,改变了衬底整个行业的面貌。

Thomas Piliszczuk博士

据他介绍,从1992年到现在,Soitec都在将Smart CutTM技术用在硅、碳化硅、蓝宝石衬底等各种半导体材料,已经积累了丰富的经验。其优化衬底产品有RF-SOI、POI和FD-SOI,广泛适用于各种应用。

丰富的优化衬底组合

他说,Smart CutTM工艺的第一步是进行热氧化;第二步是注入氢,以便后期对硅圆片进行剥离;第三步是进行清洗和建核;第四步是切割,再退火,再循环,然后进行下一步切割。Smart CutTM 的最大优点在于提高了材料均匀性,降低了材料的缺陷密度,并有助于高质量晶圆的循环再利用。

据了解,Soitec的专利技术Smart CutTM已广泛应用于SOI(Silicon-On-Insulator,绝缘体上硅)产品生产,保障芯片制造商的材料供应,加上应用材料公司在制程技术与生产设备方面的支持,将在CEA-Leti(法国原子能委员会电子与信息技术实验室)的衬底创新中心中增加一条碳化硅优化衬底实验生产线。

优化衬底助力大规模应用

Soitec专攻优化衬底,其业务包括几个部分,一是RF-SOI,主要服务于智能手机市场,5G的发展给这块业务带来了非常大的促进作用;二是FD-SOI(完全耗尽型绝缘体上硅),特别是针对能效、AI和5G应用;三是特殊SOI,产品主要服务于汽车、人脸识别及数据中心市场,其中Power-SOI主要应用于汽车市场,如电池管理系统、电流传感器、高频栅极驱动器、制动器等,满足汽车市场对能效的要求。

SOI的汽车应用

第四块业务是一年前收购的EpiGaN,在技术和运营方面已经实现了EpiGaN协同增效。现在EpiGaN生产主要针对RF氮化镓外延片,同时还在关注应用于功率产品方面的氮化镓外延片生产。

Power-SOI的应用已在汽车客户中获得成功

Soitec全球业务部高级执行副总裁Bernard Aspar博士说,鉴于氮化镓在功率晶体管设计中的应用,收购EpiGaN还将为其现有的Power-SOI产品创造新的增长空间。Power-SOI和氮化镓均可满足智能化、节能化和高可靠的集成电路对于综合高压和模拟功能的要求,以便广泛应用于消费电子、数据中心、汽车和工业市场。

Bernard Aspar博士

功率转换是电子系统中的一种不可或缺的功能,其形式多种多样,包括电池、墙壁插座、能量收集、太阳能等。功率转换装置可以使电源适应电子系统的特定需要(电压、电流、交流或直流等)。智能电源技术可以使功率转换级、安全功能(温度或过载控制)、远程控制和其他模拟和数字功能集成在一起。其优点包括减小尺寸、提高效率和降低成本。Soitec的SOI产品提供了出色的电隔离,非常适合于集成在不同电压下工作的器件中,同时减少了芯片面积,提高了可靠性。

关于氮化镓外延片,Bernard Aspar博士认为,氮化镓作为一种宽带隙材料,在器件级比传统半导体具有更高的效率和功率密度;在系统级,这些好处意味着减小体积、降低功耗和成本。

Soitec的氮化镓外延片是一种复合(Al,In,Ga)N多层结构,通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)在硅或碳化硅衬底上外延生长。所得到的GaN/Si和GaN/SiC外延片被用于制造电子器件,与现有技术相比,在RF功率密度、功率开关效率、传感器鲁棒性和灵敏度方面具有更高的性能。

其最新的(Al,Ga)N/GaN异质外延层结构是在硅或半绝缘碳化硅衬底上无裂纹沉积的。(111)硅衬底的直径不超过200毫米,碳化硅衬底的直径不超过150毫米。

RF功率、功率开关和传感器用异质外延层结构

优化的缓冲层设计可用于RF和高压应用,提供低泄漏电流、高击穿电压、低色散和RF损耗,且晶圆弓始终较低。各种覆层(cap)和势垒组合可以支持差异化,包括原位SiN表面钝化,与基于Si和GaAs的产品相比,可实现优越的器件性能和可靠性。

EpiGaN-HV是用于功率开关的GaN-on-Si外延片,是在(111)硅衬底上无裂纹沉积的(Al,Ga)N/GaN异质外延层结构,适用于功率开关应用。Soitec提供具有原位SiN钝化或GaN覆层的d模式HEMT(高电子迁移率晶体管)结构和带有p-GaN覆层的e模式HEMT结构。

定制的势垒和覆层设计以及适合200V和650V电源开关应用的层结构可供选择。专有的高压缓冲设计提供低泄漏电流、高击穿电压、低色散和始终如一的低晶圆弓。

标准层规格

特性说明

电气规格(d模式)

总之,EpiGaN-HV的主要特点包括:在原位钝化方面,具有卓越的动态性能、优良的材料稳定性、最先进的设备可靠性、高晶圆间均匀性、与硅晶圆生产线兼容);使用150毫米和200毫米(111)硅;弓度小于50 µm;具有良好的均匀性、晶体质量和层厚及组合物。其典型应用包括:电源/USB充电器、无线电源、EV/HEV和光伏等。

Bernard Aspar博士说:“芯片制造商已开始转向III-V复合材料,以解决开关速度或带隙需求等紧迫挑战。Soitec复合衬底提供了无需折衷的解决方案。”利用标准Smart Cut™ 技术,Soitec提供专为客户定制的工程衬底。“例如,我们可以将薄层的晶体材料从氮化镓或InGaN(氮化镓铟)或磷化铟(InP)转移到另一种衬底上,以产生高质量、成本有效的晶圆,”他说。

与独立的氮化镓相比,氧化镓基氮化镓(GaNoX)提供了同样的晶体质量,但在很大程度上降低了价格。由于采用智能切割工艺和施主(donor)晶圆刷新能力,功率器件可以直接在GaNoX上构建,避免了使用硅基氮化镓时需要生长厚的数微米缓冲层的额外步骤。

此外,GaNoX优越的晶体质量允许更高的工作电压,使其适用于广泛的应用,与高达1200V的碳化硅相比,具有诱人的性价比,适用于电机驱动、消费电子、适配器、电动出行、功率因数校正(PFC)级、PC电源、太阳能和照明,以及5G和其他RF器件等应用。

半导体行业对InP的需求也在持续增长。然而,高价格和这类衬底的脆性限制了InP的应用。作为一种低成本、150毫米的替代品,Soitec开发出具有独立InP晶体特性的复合衬底——砷化镓基磷化铟(InPoGaAs)和锗基磷化铟(InPoGe),提供了GaAs或Ge的稳健性。这类衬底的应用非常广泛,例如,InPoGaAs是制造多结CPV太阳能电池的首选衬底,创造了CPV电池转换效率46%的世界纪录;InPoGaAs还适用于PIN二极管等光子学应用,InP的活性层是现成的,使得光子结构可以建立在这些具有成本效益和且坚固的衬底上;InPoGe衬底具有高铟含量,可抵抗辐射,其晶圆非常适合太空太阳能应用。

碳化硅应用成本问题即将迎刃而解

再回到碳化硅。与传统硅IGBT器件相比,基于Smart CutTM的碳化硅衬底具有非常大的性能提升。首先,碳化硅主要应用在逆变器中。逆变器是纯电动汽车动力总成的核心部件,基于碳化硅的逆变器,其尺寸可减小50%,进而减轻重量。此外,而且碳化硅耐高温、耐高压,所以性能非常稳定,使用寿命也更长。

基于Smart Cut™ 的碳化硅衬底优异的质量和性能

Smart CutTM 碳化硅技术具有很多优势,首先可以使用和回收高品质碳化硅衬底,解决碳化硅供应量小的问题,有助于在循环使用过程中保证供应链稳定性;在衬底质量方面,显著降低了缺陷密度,使白片数量更多;更低的衬底垂直比导通电阻有助于降低整体器件导通电阻,在提高性能的同时缩小尺寸(每片晶圆出更多片芯);还可以简化器件制造流程。

去年,Thomas Piliszczuk博士曾说,Soitec在采用新技术降低成本,努力提高产量,碳化硅应用的成本问题不久将会解决。最近他表示:“基于Smart CutTM的碳化硅解决方案项目进展顺利,项目仍在研发阶段,很快就会向客户提供第一批样品。”

他相信,基于Smart CutTM技术的碳化硅晶圆能为客户提供更高的良率、更优的能效表现,有利于客户缩小片芯尺寸,增加每片晶圆上的片芯数量。因此,Soitec能够为客户提供更好的总体拥有成本,还可以通过Smart CutTM让部分优质晶圆重复使用,从而提高产能。目前是针对150毫米晶圆的全新解决方案,未来将向200毫米的方向迈进,让芯片成本进一步降低。

使用Smart CutTM切割技术的碳化硅晶圆片薄如蝉翼

他还表示:“汽车行业对我们的Smart CutTM碳化硅解决方案非常有兴趣。在全球汽车行业,不管是做设备的、做模块的,还是整车厂都在探讨在下一代电动汽车中大规模使用碳化硅的问题,希望未来能够获得更多碳化硅晶圆。他们关注的焦点恰恰是良率、产能和质量,而这正是我们的专长所在。”

除了衬底方面的进展,器件的设计和量产同样在努力降低成本。中国一家领先的碳化硅IDM厂商(不便透露公司名)根据自己的研发路线图,对其SiC产品成本也做出了一个大胆的预测,如果真是这样,对用户来说无疑是一个好消息。

1200V碳化硅SBD成本走势预测

1200V的碳化硅MOSFET成本走势预测

动力来自源头

作为功率半导体的上游材料供应,优化衬底和SiC等宽禁带器件的量产将有助于成本的下降,为未来功率电子产品的创新带来机遇。我们期待,Soitec的碳化硅衬底和氮化镓外延片将为未来电动汽车的逆变器系统提供更强劲的动力,助力实现连网、自主、共享和电动的汽车大趋势。

 

更多精彩

(内含3个内容)

END





你可能会喜欢

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注