使用GaN（氮化鎵）的功率半導體作為節(jié)能/低碳社會的關鍵器件而受到關注。兩家日本公司聯(lián)手創(chuàng)造了一項新技術，解決了導致其全面推廣的問題。OKI 和 Shin-Etsu Chemical 開發(fā)了一項新技術，可以以比傳統(tǒng)技術低 90% 的成本制造“垂直 GaN”功率器件。

兩家公司開發(fā)的新技術采用OKI開發(fā)的“CFB（晶體薄膜接合）技術”來剝離“QST基板”上生長的單晶GaN，“QST基板”是信越化學專門針對GaN專門改進的復合材料基板生長，粘合到不同的材料基材上。這使得能夠以低成本同時實現(xiàn)垂直GaN導電性和大直徑晶圓，并“有助于垂直GaN功率器件在社會上的實現(xiàn)和普及。” 兩家公司于 2023 年 9 月宣布了這項技術，并在 10 月 5 日的新聞發(fā)布會上，兩家公司的代表解釋了細節(jié)和未來前景。

低成本高品質厚膜GaN

對于在傳統(tǒng)硅襯底上形成GaN的硅基GaN來說，硅和GaN的熱膨脹系數(shù)顯著不同，導致由于拉應力而導致較大的翹曲。QST襯底具有與GaN相匹配的熱膨脹系數(shù)，可以減少翹曲并抑制裂紋，從而可以外延生長大直徑、高質量的厚膜GaN。據(jù)山田先生介紹，該公司已經(jīng)實現(xiàn)了20μm以上的高質量GaN外延生長。山田先生解釋說：“通過使用多種技術，我們已經(jīng)實現(xiàn)了約 5 x 106 的缺陷密度。換句話說，可以將缺陷密度降低到普通硅基 GaN 的約 1/1000。”

此外，由于熱膨脹系數(shù)與GaN的熱膨脹系數(shù)相匹配，因此還可以簡化緩沖層。如下圖所示，在生長6μm GaN層的情況下，使用硅襯底時，GaN層的厚度可以在一半的生長時間內大約增加一倍。山田先生表示：“可以提高外延設備的產(chǎn)量并降低成本。”

此外，在硅基GaN的情況下，需要較厚的襯底來抑制翹曲（對于6μm的GaN生長，需要1mm或以上的厚度），并且使用專門設計的半導體器件。尺寸可與符合SEMI和JEITA標準的基板厚度一起使用，因此無需修改或改進設備，并且“可以按原樣使用一般硅工藝”。此外，QST基板具有陶瓷芯，直徑可以做得更大，信越化學已經(jīng)擁有最大8英寸的產(chǎn)品陣容。山田先生表示：“我們的 8 英寸 QST 襯底的成本與 2 英寸 GaN 襯底的成本大致相同。換句話說，在使用 QST 襯底制造器件時，您可以一次制造大約 16 倍的器件，這顯著降低成本。“降低成本是可能的。” 該公司還正在開發(fā) 300 毫米（12 英寸）QST 基板，并計劃于 2024 年開始提供樣品。

QST襯底的其他特點包括它已經(jīng)被用于各種GaN器件中，并且與OKI的CFB技術高度兼容。


一個將改變行業(yè)力量平衡的突破

OKI的CFB技術由OKI創(chuàng)新業(yè)務開發(fā)中心CFB開發(fā)部設備應用團隊經(jīng)理谷川健一進行了講解。

CFB技術是OKI的專有技術，可從各種基材上剝離功能層，并利用分子間力將其粘合到不同材料制成的基材上。它最初是為了減小公司打印機中安裝的打印頭 LED 陣列的尺寸和成本而開發(fā)的。具體而言，將由化合物半導體制成的LED晶體薄膜剝離并直接粘合到由硅制成的驅動IC上。

據(jù)該公司介紹，CFB技術于2006年投入實際應用，在其打印機業(yè)務中出貨量已達1000億點，但迄今為止其使用僅限于自有產(chǎn)品。與此同時，在2022年7月左右，他偶然發(fā)現(xiàn)了信越化學的QST襯底上的GaN，這導致了結合QST襯底和CFB技術的新技術的開發(fā)。OKI 創(chuàng)新業(yè)務開發(fā)中心 CFB 開發(fā)經(jīng)理 Takato Suzuki 表示：“我們聽到這個故事的那一刻，立即確信兩家公司聯(lián)合開發(fā)的技術將成為一項突破，徹底改變功率半導體行業(yè)。”


“基材可回收”新技術詳情

兩家公司宣布的新技術涉及在 QST 襯底上生長 GaN 層，然后僅剝離 GaN 功能層并將其沉積在各種其他襯底上以創(chuàng)建“歐姆接觸”（根據(jù)歐姆定律的線性電流）它們通過金屬層（例如鈦鋁）進行粘合，從而實現(xiàn)電粘合（具有電壓曲線）。此時，還可以去除緩沖層和硅(111)，從而可以實現(xiàn)垂直導通。如上所述，8英寸QST襯底與2英寸GaN襯底的價格大致相同，因此采用新技術制造垂直GaN功率器件將比傳統(tǒng)GaN on GaN功率器件成本更低，該公司聲稱可以將這一數(shù)字減少到十分之一以下。

此外，即使使用CFB技術去除GaN功能層后，QST襯底也可以通過一定的處理重新用作QST襯底，盡管它不會保持完整。目前正在開發(fā)回收該板的技術，他表示希望如果實現(xiàn)重復利用，將有可能進一步降低成本。

CFB技術可以粘合到各種基材上，只要它們具有與半導體晶圓相當?shù)谋砻嫫秸取＞唧w而言，除了硅以外，還可以與SiC、GaN、GaAs(砷化鎵)、InP(磷化銦)等化合物半導體硅片、玻璃硅片等基板接合。

OKI的CFB技術目前與6英寸顯示器兼容。在本次發(fā)布會上，他們推出了將GaN功能層粘合到整個6英寸晶圓上的實際產(chǎn)品。谷川先生表示，雖然成品率仍然較低，但他說：“（CFB技術流程）涉及剝離、運輸和粘貼，但最困難的部分是剝離部分。設計需要吸收內部的變化。” “但是，如果我們將這種剝離方法發(fā)揮到極致，就有可能使其適應大規(guī)模生產(chǎn)。” 該公司還解釋說，他們正在“準備支持 8 英寸，目標是在 2025 年開始研發(fā)”。關于可支持的 GaN 層厚度，該公司表示，“目前，我們的記錄厚度可達 7 μm。” 要實現(xiàn) 1800V 或更高的高擊穿電壓，需要約 20 μm 的厚度，但該公司表示，“我們相信通過未來的開發(fā)可以實現(xiàn)這一點。”

在比較使用 QST×CFB 技術實現(xiàn)的垂直 GaN 功率器件和 GaN on GaN 器件的特性時，據(jù)說“從缺陷密度來看，我們的（基于 QST×CFB 技術的器件）約為5×10 6 ，而缺陷密度約為5×10 4 。因此，雖然目前無法匹配特性，但在成本方面具有很大優(yōu)勢。


車用GaN處于驗證階段

基于GaN-on-GaN技術，NexGen已經(jīng)開發(fā)了700V/1200V垂直GaN功率半導體器件，并于今年2月宣布工程樣品的可用性，預計今年第三季度開始全面生產(chǎn)。NexGen表示，目前1200V、1Ω 垂直GaN e-mode Fin-jFETs已成功在1.4kV額定電壓下實現(xiàn)超1 MHz開關頻率，對于持續(xù)提升電動汽車的性能、可靠性及效率來說具有重要意義。

GaN在低壓消費電子市場經(jīng)歷了高速發(fā)展期，已開始邁進相對的成熟穩(wěn)定發(fā)展期，但在未來一段時間內，消費電子市場仍將是GaN市場的主要驅動引擎。

中長期而言，GaN更大的發(fā)展空間在中高壓功率半導體市場，全球廠商目前均已開始著眼于拓展以數(shù)據(jù)中心為代表的工業(yè)應用市場和電動汽車市場等中大功率場景，但目前GaN因可靠性問題，在這些領域大多處于產(chǎn)品研發(fā)和驗證階段，成長速度較為緩慢。

就電動汽車應用來看，據(jù)TrendForce集邦咨詢分析師龔瑞驕觀察，車載雷達GaN產(chǎn)品是首先量產(chǎn)的產(chǎn)品，例如，英諾賽科的GaN器件已成功用于車載激光雷達場景，在主逆變器、車載充電器等其他高壓場景，GaN落地應用還面臨一些難題，總體來說，GaN當下處于上車驗證階段，長遠可期。

根據(jù)TrendForce集邦咨詢《2023 GaN功率半導體市場分析報告 - Part1》顯示，GaN預計2025年左右將小批量滲透到低功率OBC和DC-DC中，并預計到2030年，汽車OEM或考慮將GaN技術引入牽引逆變器。

回到垂直GaN這項技術上，從襯底材料的一致性和產(chǎn)品的電壓范圍來看，NexGen研發(fā)的技術和產(chǎn)品都相對符合車規(guī)級應用的嚴苛要求，對于推動GaN上車有著積極的影響。

實際上，除了NexGen以外，美國還有另外一家廠商Odyssey Semiconductor Technologies Inc也在專注于開發(fā)垂直GaN器件，該公司今年1月宣布650V、1200V GaN垂直產(chǎn)品樣品如期在去年Q4完成開發(fā)，將從今年Q1開始送樣客戶。而且，據(jù)Odyssey稱，垂直GaN性能比Si、SiC及水平GaN都高，可為高壓電機、太陽能電池板和電動汽車中的下一代800V電池組等電源開關應用帶來顯著的性能提升效果。


新材料 ，未來可期

除了在硅、SiC和GaN上的努力。諸如氧化鎵和金剛石等新的功率半導體材料也是業(yè)界正在攻堅的方向。在新材料的探索上，日本一直處于領先的地位，日本有很多企業(yè)在功率半導體、高頻元件等領域擁有豐富的生產(chǎn)實績。

金剛石在禁帶寬度、電子遷移度、熱傳導率等諸多方面遠遠比SiC和GaN等半導體材料出色，也被譽為是“終極半導體材料”。不僅是半導體，金剛石也可應用于量子傳感器。

日本的EDP株式會社和Orbray株式會社等日本公司都在積極推進金剛石材質的晶圓業(yè)務。其中，“Orbray”研發(fā)了一種以藍寶石（Sapphire）為襯底，異質外延生長（Heteroepitaxial Growth）金剛石晶圓的生產(chǎn)方法，如今已經(jīng)成功制造出直徑為2英寸的晶圓。

此外，日本初創(chuàng)企業(yè)日本早稻田大學孵化出了一家以“實現(xiàn)金剛石半導體實用化”為業(yè)務目標的初創(chuàng)型企業(yè)Power Diamond Systems，意圖將金剛石半導體行業(yè)的先驅一一川原田教授的研發(fā)成果推向實用化。川原田教授曾利用金剛石半導體的基礎技術（氫終端表面），研發(fā)了金剛石場效應晶體管（FET），并為業(yè)界熟知。

日本電子設備產(chǎn)業(yè)新聞的報道指出，如今金剛石半導體已經(jīng)開始從實驗室開始邁向實用化。但要真正普及推廣金剛石半導體的應用，依然需要花費很長的時間，不過已經(jīng)有報道指出，最快在數(shù)年內，將會出現(xiàn)金剛石材質的半導體試作樣品。

隨著越來越多的日本企業(yè)和大學機構對金剛石和氧化鎵等新材料的探索。相信將為未來的功率功率半導體器件的發(fā)展，提供更多的發(fā)展空間。

再一個極有潛力的材料是氧化鎵，憑借其在接近5電子伏特的寬帶隙，氧化鎵領先GaN（3.4eV）一英里，與硅（1.1eV）相比，領先優(yōu)勢更是大到一個馬拉松。在對半導體至關重要的五個特性中，高臨界電場強度是β-氧化鎵的最大優(yōu)勢。氧化鎵還可以通過稱為摻雜的過程使其導電性更高。這有助于打造高壓開關，也可能意味著可以基于其設計功能強大的RF設備。

2023年4月，日本的Novel Crystal Technology公司正在致力于β-Ga2O3肖特基勢壘二極管的商業(yè)化開發(fā)。在日本新能源產(chǎn)業(yè)技術總合開發(fā)機構(NEDO)的推動下，目前也已成功地進行了導入溝槽結構(Trench Structure)之耐壓1,200V、低功耗氧化鎵肖特基二極管的實證。

早在2021年，Novel Crystal Technology成功量產(chǎn)4吋氧化鎵晶圓，已經(jīng)于今年開始供應客戶晶圓。此外，Novel Crystal Technology還計劃在2023年供應6吋晶圓。2021年，Novel Crystal Technology計劃投資約為20億日元，向其公司工廠添加設備，到 2025 年，建成年產(chǎn) 20,000 片 100mm（4 英寸）氧化鎵 (Ga2O3) 晶圓生產(chǎn)線。

關于氧化鎵的研發(fā)，國內也已取得突破。3月14日，西安郵電大學宣布，該校陳海峰教授團隊日前成功在8英寸硅片上制備出了高質量的氧化鎵（GaO）外延片；此前在2月底，中國電子科技集團有限公司（中國電科）宣布，中國電科46所成功制備出我國首顆6英寸氧化鎵單晶，達到國際最高水平。


結語

無論是對現(xiàn)有硅基功率半導體的結構創(chuàng)新，還是垂直GaN的突破，以及金剛石和氧化嫁等更新材料的探索，都是為了能夠為行業(yè)提供更優(yōu)良的解決方案。隨著科技的不斷進步和需求的增長，功率半導體的突破將為電子設備和能源系統(tǒng)帶來巨大的變革和提升。