垂直GaN功率器件徹底改變功率半導體

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

在2023年10月5日聯合舉行的新聞發布會上，兩家公司談論了該技術的細節、其發展歷史以及未來前景。

下一代功率半導體市場前景和GaN挑戰

根據富士經濟的《2023年下一代功率器件和電力電子相關設備市場的現狀和未來》，超越傳統硅功率半導體的耐壓和低損耗極限的下一代功率半導體的全球市場預計將增長，2035年預計將比2022年增長31.1倍，達到54,485億日元。目前投入實用的下一代功率半導體是SiC（碳化硅）和GaN，而在推動市場擴大的汽車領域，能夠處理高電壓和大電流的SiC是主流。因此，GaN主要應用于消費領域，包括移動快速充電器。

目前主流的GaN功率器件是硅基GaN和藍寶石基GaN器件，它們是在硅或藍寶石襯底上異質外延生長GaN制成的。這些雖然可以以相對較低的成本獲得GaN的高頻特性，但它們與GaN層之間需要有絕緣緩沖層，而藍寶石本身是絕緣體，所以無法垂直導通，但在高頻時不適合。為了支持高電壓/大電流，需要能夠垂直導電的“垂直GaN”，例如GaN on GaN，即在GaN襯底上生長GaN層，但目前GaN晶圓價格昂貴，尺寸僅為2至4英寸左右。尺寸，還有成本問題，比如直徑小。

兩家公司開發的新技術采用OKI開發的“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 日的新聞發布會上，兩家公司的代表解釋了細節和未來前景。

信越化學的QST基材是什么？

對于信越化學的QST基板，該公司異質半導體基板推進室(HSSI)主任Masato Yamada解釋了其特點和商業模式。

QST基板是專門為GaN外延生長而開發的復合材料基板，信越化學于2019年獲得美國Qromis的許可。該公司銷售 QST 襯底，并為在相同襯底上外延生長的產品提供服務。

QST 基板以“CTE 匹配核心”為中心，該核心是一個陶瓷（主要是氮化鋁）核心，其熱膨脹系數與 GaN 匹配，周圍是多個工程層和一個 BOX 層。電影）等 此外，表面層由用作GaN種子襯底的硅(111)晶體構成。從厚度來看，CTE匹配核心占據了大部分層，厚度約為700μm，其余為極薄層，總厚度約為2μm。

低成本高品質厚膜GaN，QST襯底特點

對于在傳統硅襯底上形成GaN的硅基GaN來說，硅和GaN的熱膨脹系數顯著不同，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，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。據山田先生介紹，該公司已經實現了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，我們已經實現了約 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?！?/p>

此外，由于熱膨脹系數與GaN的熱膨脹系數相匹配，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量并降低成本?！?/p>

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，信越化學已經擁有最大8英寸的產品陣容。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?！敖档统杀臼强赡艿??！?該公司還正在開發 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。

一個將改變行業力量平衡的突破

OKI的CFB技術由OKI創新業務開發中心CFB開發部設備應用團隊經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。

據該公司介紹，CFB技術于2006年投入實際應用，在其打印機業務中出貨量已達1000億點，但迄今為止其使用僅限于自有產品。與此同時，在2022年7月左右，他偶然發現了信越化學的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。OKI 創新業務開發中心 CFB 開發經理 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合開發的技術將成為一項突破，徹底改變功率半導體行業?！?/p>

“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建“歐姆接觸”（根據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GaN on GaN功率器件成本更低，該公司聲稱可以將這一數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。目前正在開發回收該板的技術，他表示希望如果實現重復利用，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的表面平整度。具體而言，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揮到極致，就有可能使其適應大規模生產?！?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”。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 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可以實現這一點?！?/p>

在比較使用 QST×CFB 技術實現的垂直 GaN 功率器件和 GaN on GaN 器件的特性時，據說“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勢。此外，根據未來的發展，缺陷密度也將在 5 × 105

商業模式

兩家公司還解釋了使用QST x CFB技術的垂直GaN功率器件制造工藝的商業模式。具體來說，我們設想兩種類型：“CFB 前”和“CFB 后”。

在 Pre CFB 中，OKI 使用 CFB 技術在器件預處理之前從 QST 襯底上剝離 GaN 功能層。此外，它是一種將器件粘合到器件制造商指定的基板上之后提供器件的商業模式。器件制造商使用這些襯底來制造 GaN HEMT/MOSEFT 器件。Post CFB是一種商業模式，其中器件制造商首先在信越化學提供的QST基板上形成器件，然后OKI使用CFB將功能層轉移到另一個基板上。Tanikawa 先生解釋說：“Pre CFB 可以從頭開始，而 Post CFB 可以按原樣使用現有架構。后者可能會更快啟動?！?/p>

谷川先生還評論了這項新技術，他說：“它與所有 GaN 器件兼容，包括垂直 GaN 功率器件以及水平功率器件和 LED。我們希望改進這項技術，并與器件制造商一起展示它”他說。

未來的計劃和展望

OKI 預計將于 2024 年開始向客戶推出該技術。關于批量生產的開始日期，他表示，“我們正在考慮從小規模開始，從 2026 年左右開始?！?初期階段，該公司計劃在自己的半導體工廠處理這一問題，并計劃推進準備工作，以在 2025 年左右實現 8 英寸的支持。此外，如果未來市場真正擴大，OKI將能夠提供薄膜狀材料的產品，客戶可以在其上附加功能層，之后，只要他們擁有安裝設備，他們可以在不同的地點使用它。該公司還在考慮開發橫向分工業務，以實現連接。

另一方面，據說信越化學正在進行投資，到 2024 年將 QST 基板的產能翻一番。山田先生還提到了采取進一步措施的可能性，他說：“如果這項技術在未來得到普及，我認為我們目前的水平還不夠?！?對于300mm QST基板的開發現狀，“300mm晶圓所要求的平坦度高于6英寸或8英寸晶圓，而要實現這一點，就需要提高陶瓷芯的平坦度。這不是問題”。更長的延伸 6 或 8 英寸，我們正在尋找進一步改進它的解決方案?！?關于垂直器件結晶度的進一步改進，他說：“有很多想法，我相信隨著時間的推移，我們可以做出重大改進?！?/p>

審核編輯：劉清