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掏心窝子的聊聊硅基GaN到底有没有前途?

新火种    2023-09-11

单晶硅是个好东西,因为它又大又便宜!GaN更是个好东西,因为它禁带宽(说白了就是耐高压,电压高了,功率能力也就上去了),导热好!

但是至于硅基GaN嘛……可就不一定了。

严谨一点解释的话禁带是这样的:

禁带:是指电子从原子核轨道上脱离所需要的能量,GaN 的禁带宽度为 3.4eV,是硅的 3 倍多,所以说 GaN 拥有宽禁带特性(WBG)。禁带宽度决定了一种材料所能承受的电场。GaN 比传统硅材料更大的禁带宽度,使它具有非常细窄的耗尽区,从而可以开发出载流子浓度非常高的器件结构,而载流子浓度直接决定了半导体的导电能力。

Si

硅(silicon),严谨点儿,应该是高纯度的单晶硅(99.999999999%),作为第一代半导体材料,其技术与应用发展到如今已经非常成熟,目前全球 95% 以上的半导体芯片和器件都是用硅片作为基础功能材料而生产出来。

硅片

但是由于硅本身的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低,并不适用于制造功率器件产品。但是这并不意味着硅是第一代半导体材料,就一定很落后。(如果有人告诉你我这产品用的是第四代半导体,是最新的技术,比第一代半导体厉害了不知道几百万倍,我可以很负责任的告诉你,他要么不懂技术,要么就是故意在骗你的钱。想知道原因,欢迎参阅作者这篇文章:衬底与外延,这俩到底是啥关系?这回帮你捋顺了!)

虽然Si是第一代半导体材料,但是最先进的逻辑芯片(CPU、GPU、ASIC、FPGA等等各种乱七八糟的U)和存储芯片(NAND、NOR、DRAM、SRAM等等等等),肯定是只能用单晶Si的衬底来做的,不为别的,就是因为高纯(才能低功耗、易掺杂、工艺制程高、晶体管集成度高),99.999999999%(至少11个九……)。

而且,由于技术成熟,硅片价格是贼便宜贼便宜的。一张8英寸的P型高纯硅片,也就几十块钱不到!!(芯片贵在制造,原材料真的很便宜)但是这张8寸硅片,如果用3nm工艺进行加工制造(就是流片),量产成本也要15W/片左右,仅仅是打样的话,估计就合到几百万一片了。

所以我说,单晶硅是个好东西,大家应该是赞同的吧。

GaN

GaN是氮化镓,是氮和镓的化合物,英文名称是 Gallium nitride。(GaN读的时候直接就是Gan,干,[我想静静],真的不骗你。)

由于 GaN 晶体管的沟道阻抗小、寄生电容小、低损耗、耐高温以及散热性的优势,使得GaN材料非常适合做功率器件。GaN的开关电源(就是你的手机充电器)的电源转化效率高比硅芯片电源高个几十倍也很正常!

现在动辄220W的神仙秒冲,基本上就得用到GaN甚至SiC(这个更强,但是更贵)才能实现,十几年前的5W充电器基本上就是GaAs或者Si的。

GaN性能好,但是真的很贵很贵。光是6英寸的衬底就得过万,量产流片费用高达300万/片。是硅集成电路价格的几十倍!(很难做大尺寸)目前氮化镓外延片晶圆最大尺寸为8英寸,因此可以使用8英寸Fab,流片目前8英寸主流工艺节点包括0.35u-0.13um等制程。

某gan微波单片集成电路mpw流片加工(二次) 招标项目

所以我说,GaN也是个好东西,大家应该也不反对的吧。

硅基GaN

说到硅基GaN,就得先聊聊衬底与外延的关系。(欢迎参阅作者这篇文章:衬底与外延,这俩到底是啥关系?这回帮你捋顺了!)

外延是指通过外延生长技术在衬底上生长出来的薄膜。这个薄膜可以与衬底用相同的材料(同质外延),但可以用与衬底不同的材料(异质外延)。例如,可以在硅衬底上生长GaN薄膜(异质外延),也可以在GaN衬底上生长GaN薄膜(同质外延)。

不同衬底的GaN外延对比

外延片的最大价值就在于,它可以得到最优的性价比。比如,它通过在便宜的硅片上生长一层薄薄的GaN外延,这样用成熟(便宜)的第一代半导体材料做衬底,来(部分)实现第三代半导体(非常贵)宽禁带的特性(其击穿电压已经可以达到600V),可谓是相当划算(外延片只要几百块一片,流片技术尚不非常成熟,价格估计比硅片高,但是肯定比GaN要便宜很多)。

那么为什么说它不行呢??因为像这种异质外延的结构,是存在很多问题的,比如晶格失配(可以理解为把脚手架搭在塑料地基上,就会非常不稳)、温度系数不一致(热胀冷缩,温度变化时,不同材质肯定存在问题)、热传导不良(Si的导热性很差的,你想想GaN的优势就是做功率器件,但是它的散热又那么差,你慌不慌)等等。

做产品,质量是很关键的,这么多缺陷,反映到量产上,是很难质量把控的。尤其是硅衬底的那个导热率,用作功率器件上简直就是噩梦啊,用作射频器件吧,在移动端(<5V场景)性能还干不过GaAs,导热还是个坑。现在的状态是,大家都很看好硅基GaN这个东西,但是敢上产品的几乎还没有,甚至晶圆厂的产线都不太成熟(还有模型啥的也都不健全)。

总之,硅衬底的导热,如果解决不了,GaN就是个纯坑,谁用坑谁!

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