寬禁帶半導體技術的前沿發展有哪些

近年來，SiC和GaN正在成為功率半導體行業發展重點。但與此同時，行業廠商正在加緊各方面的布局，例如正在探索金剛石，氧化鎵和更多發展的方向。

開發金剛石MOSFET互補功率逆變器

2023 年 12 月，Power Diamond Systems (PDS) 開始開發結合了 p 溝道金剛石 MOSFET 和 n 溝道 SiC-MOSFET/GaN-HEMT 的互補功率逆變器。通過提高晶體管的工作頻率，可以使元件變得更小，并且逆變器本身可以變得更小、更輕。

逆變器是將直流電轉換為交流電的電源電路。在應用設備中，為了實現節能，對小型、輕量、高效的逆變器的需求不斷增加。為了實現逆變器的高速運行，已經提出使用寬帶隙半導體和結合n溝道和p溝道晶體管的互補功率逆變器。

然而，使用SiC和GaN，制造性能與n溝道晶體管相當的p溝道晶體管極其困難。因此，進行金剛石半導體器件研發的PDS開發了p溝道金剛石MOSFET，其性能與n溝道晶體管相當。

這次，我們開發了一種互補型功率逆變器，將p溝道金剛石MOSFET與n溝道SiC-MOSFET/GaN-HEMT相結合，并驗證了100kHz的高速運行。未來，公司計劃加速與外部合作伙伴的合作，提高性能并開發逆變器模塊。

PDS是一家研發所謂終極鉆石功率半導體器件的初創公司，是在早稻田大學河原田浩教授的研究種子基礎上成立的。金剛石半導體在各項物理性能上均具有一流的性能，特別是在散熱、耐大電流/高電壓、抗輻射等方面表現出色，使其成為下一代功率半導體器件材料。

此外，如果實現使用這些下一代材料的半導體功率器件/高頻器件和使用它們的逆變器，下一代新器件如電動汽車快速充電系統、電動空中交通系統和高效可再生能源系統預計它將被應用于電力電子領域和空間衛星通信系統，因此被認為是一個游戲規則的改變者。

到目前為止，PDS已投資于器件集成所需元件的開發，為金剛石MOSFET的開發奠定了基礎，并增加了電流容量，假設電力電子應用。在這項研究中，通過回顧垂直金剛石MOSFET的器件設計，他們成功地降低了寄生電阻，提高了集成度，穩定了大面積工藝，包括提高了成品率，并實現了最大漏極電流6.8假設我們能夠實現A。

公司計劃通過與國內外研究機構和企業等外部合作伙伴的合作，繼續進一步加強技術和應用開發。

下一代功率半導體：金紅石型氧化物半導體混晶系

之前，京都大學（Kyoto University）、東京都產業技術研究中心（Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Institute）、立命館大學三方宣布開發出金紅石型GeO2（r-GeO2） ，作為下一代功率半導體材料而受到關注。我們提出了一種新的金紅石型氧化物半導體混合晶體系統（GeO2-SnO2-SiO2），并宣布我們已經通過實驗證明了該系統的實用性并通過計算。

京都大學工學研究科研究生高根聰、研究生若松武、講師金子健太郎（現任立命館大學科學技術研究機構教授）、研究所副所長太田佑一發表了研究結果。東京都科學技術研究所，由研究人員和立命館大學理工學院教授荒木勉領導的聯合研究小組。詳細信息發表在美國物理學會出版的學術期刊《物理評論材料》上，該期刊涉及材料科學及所有相關領域。

超過3.4eV的超寬帶隙（UWBG）半導體，如氮化鋁鎵（AlGaN）、氧化鎵（Ga2O3）和金剛石，具有大的介電擊穿電場值，使其成為低損耗和高性能的理想選擇有望成為實現耐壓功率器件的下一代半導體材料。

另一方面，傳統的UWBG半導體在器件開發和應用中存在一些問題，例如昂貴的襯底和難以控制pn-pn傳導。近年來，r-GeO2作為一種新型的UWBG半導體備受關注。

r-GeO2受到關注的原因有以下四個優點。

必須具有與β-Ga2O3相當的大帶隙 (4.7eV)

理論上預測 pn 環境傳導和高電子/空穴遷移率的可能性

導熱系數必須超過β-Ga2O3

可以使用廉價的方法合成塊狀晶體

此外，2020年有薄膜生長報道，針對功率器件應用的r-GeO2研究目前正在加速。

考慮到這一背景，研究團隊決定提出GeO為中心的新型混晶體系22-SiO2-SnO2與此同時，他們決定從實驗和理論上證明這種混合晶體系統的實用性。

具體來說，作為實驗方法，他們使用霧化學氣相沉積（霧CVD）在整個組成范圍內合成了“r-Ge xSn1-xO2薄膜”，并分析了其物理性質。結果發現，晶格常數為可以通過改變成分來調節帶隙。同時，確認了r-GexSn1-xO2 混晶薄膜各成分的晶格常數和帶隙值與第一原理計算計算出的值和趨勢相匹配假設在0≤x≤0.57(x：薄膜中的Ge組成)下表現出n型導電性。

此外，作為理論方法，利用第一性原理計算對r-GexSn1-xO2和r-GexSi1-xO2混晶進行能帶排列分析。由于r-GexSn1-xO2中的Ge成分增加和r-GexSi1-xO2混晶中的Si成分增加而導致的帶隙、導帶和價態的行為能帶表明在高Ge含量的r-GeO 2和r-GexSn1-xO2中p型摻雜的可能性，以及在r-SiO2和高Si成分中p型摻雜的可能性假設已經提出了r-GexSi1-xO2作為勢壘層的有用性。

基于這項研究，研究團隊預計在r-GeO2等金紅石型氧化物半導體的研發方面取得進一步進展，以期將其應用于功率器件。

使用氮化鋁基材料成功創建了理想的 p-n 結

名古屋大學和旭化成于12月14日宣布，他們已成功制造出在氮化鋁（AlN）基材料中表現出理想特性的p-n結，該材料有望用作下一代半導體材料。

該成果是名古屋大學未來材料與系統研究所、Jun Suda 教授、Hiroshi Amano 教授和 Asahi Kasei 聯合研究小組的成果。詳細信息將于12月9日至13日在美國舊金山舉行的IEEE主辦的半導體器件國際會議IEDM2023上公布，并稍后在IEEE數字圖書館上發布。

“超寬帶隙”（UWBG）半導體的帶隙（禁帶寬度）比目前主要的半導體材料硅（Si）和砷化鎵（GaAs）大4至5倍以上，新一代半導體材料，世界范圍內的研究正變得更加活躍。如果對 UWBG 半導體的研究得到發展，相信它將能夠通過更高的頻率來提高設備通信速度，并通過減少功率設備的損耗來進一步節省能源。然而，UWBG半導體的一個常見技術問題是難以實現作為半導體器件基礎的理想p-n結。

因此，研究團隊通過在高質量的AlN單晶襯底上使用化學成分（含有數%至30%的AlN的氮化鎵（GaN）），開發了一種AlN基材料，它是UWBG半導體之一，通過使用一種稱為分布式偏振摻雜（DPD）的方法，該方法可以在空間上改變氮化物的量（混合），研究人員旨在創建具有優異性能的基于 AlN 的 p 層和 n 層。此外，為了實現理想的DPD，需要高質量的薄膜晶體生長技術，因此該技術的研發也同時取得進展。

研究中，采用金屬有機氣相外延生長（MOVPE ，在高質量AlN（0001）襯底上形成未摻雜的AlN層和高濃度n型Al 0.7 Ga 0.3 N層后方法）然后，在頂部高濃度p型GaN層和底部高濃度n型Al 0.7 Ga 0.3 N層上形成電極，制造pn結二極管。

由此制造的AlN基p-n結由于電流注入而表現出理想的電流-電壓特性、電壓-電容特性和發光特性。特別是電流-電壓特性顯示出優異的耐高電壓性。針對其高擊穿電壓特性，我們測定了其介電擊穿場強，結果為7.3MV/cm，這是AlN基pn結介電擊穿場強的世界最高測量值。這是傳統Si半導體的約25倍，是具有優異介電擊穿電場強度的寬帶隙WBG半導體碳化硅（SiC）和GaN的約2倍。據稱，AlN基p-n結的實現滿足所有這些優良性能在世界上是前所未有的。此外，在本研究中，沒有采取措施提高耐壓，因此預計在未來的研究中將進一步提高相同的值。

這項研究的成果是“利用高質量的AlN單晶基板基材”、“巧妙地實現理想的DPD層形成的薄膜晶體生長技術（外延生長技術）”、“器件（ pn 這是通過結合“結型二極管（結型二極管）制造技術”而實現的。其中使用的AlN單晶基板基材是旭化成的技術，其余兩項是名古屋大學與旭化成共同研究的成果。

在這項研究中，實驗表明，通過使用分布式極化摻雜作為雜質摻雜的替代方案，即使在 AlN 基半導體中也可以實現良好的 p-n 結。此外，AlN材料最重要的物理性能值——介電擊穿場強，經實驗證明至少是傳統WBG半導體的兩倍。研究小組預計，這項研究結果將刺激對AlN基材料的研究，并擴大利用DPD的各種設備的研究和開發。

采用垂直布里奇曼法成功制備6英寸β型氧化鎵單晶

12月25日，Novel Crystal Technology（NCT）、信州大學（Shindai）、日本產業技術綜合研究所（AIST）三方宣布推出6英寸“β型氧化鎵”（他們聯合宣布）他們已成功制備出β-Ga2O3 單晶。

β-Ga2O3是一種優異的功率半導體材料，具有比碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）更大的帶隙能量，具有實現更高性能功率器件的潛力。此外，與硅一樣，可以使用“熔融生長法”以低成本制造高質量的單晶襯底。如果使用具有這些優點的β-Ga2O3功率器件能夠投入實際應用，將導致家電、電動汽車、鐵路車輛、工業設備、太陽能發電、風力發電等電力電子設備的損耗更低。發電等——期望很高，因為它可以降低成本。

為了降低β-Ga2O3功率器件的成本并使其廣泛應用于社會，必須增大β-Ga2O3襯底的直徑，并且強烈渴望更大的單晶。信州大學開發出利用VB法生長β-Ga2O3單晶的技術，并已成功生產出2英寸和4英寸的單晶。NCT繼承了Shindai的這項技術，并不斷開發更大的直徑。因此，該公司推出了采用VB法的6英寸晶體生長裝置，并嘗試采用VB法生產6英寸單晶。

EFG法是傳統的β-Ga2O3單晶生產技術。此法是飼養方法之一，是一種容易達到高生長率的養殖方法。然而，所得晶體為板狀，需要從其上切出圓形基板，在加工過程中會產生不必要的零件，導致成本較高，而且β-Ga2O3晶體的各向異性強，這造成了問題在于晶體拉制方向受到強烈限制并且所得襯底的面取向受到限制。

相比之下，此次開發的VB法是一種生長方法，其中將裝有原材料的坩堝存放在具有溫度梯度的爐子中，在原材料熔化后，將坩堝下拉以使其凝固。因此，可以獲得與坩堝形狀相同的晶體，因此如果使用圓柱形坩堝，則可以獲得圓柱形晶體，并且顯著減少襯底加工過程中不需要的部分，從而可以相應地降低成本。

此外，與使用提拉法的生長方法不同，該生長方法在坩堝中使熔體凝固，因此不易受到晶體各向異性對生長平面的約束，并且可以產生多種襯底平面取向。有望能夠解決EFG方法的問題。另外，與提拉法相比，可以在溫度梯度較小的環境中生長，這使得可以獲得更高質量的晶體，并且由于可以獲得垂直于晶體生長方向的襯底，因此可以在溫度梯度較小的環境中生長晶體，假設還具有有望提高面內濃度均勻性的優點。

目前，該研究團隊已成功利用VB法生產出6英寸的β-Ga2O3 單晶，沒有出現任何問題。確認從晶種到最終固化部分都是透明的，是單晶。此外，假設恒定直徑部分(直徑最寬的部分)的直徑為6英寸或更大并且獲得能夠獲得6英寸襯底的晶體，則可以生長繼承了該特性的單晶。

接下來，為了比較使用EFG法和VB法生長的晶體的品質，在AIST中使用作為晶體缺陷評價方法之一的X射線形貌法來評價晶體品質。結果，證實了在EFG法基板上以高密度出現線狀缺陷，而證實在VB法基板上幾乎不存在線狀缺陷。另外，利用VB法，在基板表面發現了看起來像網絡的東西，但據說這被認為是位錯網絡。雖然使用 EFG 在基板表面上沒有觀察到網狀對比度，但由于線性缺陷引起的應變場較大，因此很難看到。

基于上述觀察結果，研究小組發現，與使用EFG方法制造的基板相比，使用VB方法制造的基板的晶體質量有所提高。今后，NCT將繼續開發采用VB法的高品質單晶生長技術，并致力于開發利用該方法的優勢之一的生長面取向的靈活性的基板。

審核編輯：黃飛

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