寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的前沿發(fā)展有哪些

近年來，SiC和GaN正在成為功率半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展重點(diǎn)。但與此同時(shí)，行業(yè)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(fā)展的方向。

開發(fā)金剛石MOSFET互補(bǔ)功率逆變器

2023 年 12 月，Power Diamond Systems (PDS) 開始開發(fā)結(jié)合了 p 溝道金剛石 MOSFET 和 n 溝道 SiC-MOSFET/GaN-HEMT 的互補(bǔ)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(zhuǎn)換為交流電的電源電路。在應(yīng)用設(shè)備中，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能，對(duì)小型、輕量、高效的逆變器的需求不斷增加。為了實(shí)現(xiàn)逆變器的高速運(yùn)行，已經(jīng)提出使用寬帶隙半導(dǎo)體和結(jié)合n溝道和p溝道晶體管的互補(bǔ)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(dāng)?shù)膒溝道晶體管極其困難。因此，進(jìn)行金剛石半導(dǎo)體器件研發(fā)的PDS開發(fā)了p溝道金剛石MOSFET，其性能與n溝道晶體管相當(dāng)。

這次，我們開發(fā)了一種互補(bǔ)型功率逆變器，將p溝道金剛石MOSFET與n溝道SiC-MOSFET/GaN-HEMT相結(jié)合，并驗(yàn)證了100kHz的高速運(yùn)行。未來，公司計(jì)劃加速與外部合作伙伴的合作，提高性能并開發(fā)逆變器模塊。

PDS是一家研發(fā)所謂終極鉆石功率半導(dǎo)體器件的初創(chuàng)公司，是在早稻田大學(xué)河原田浩教授的研究種子基礎(chǔ)上成立的。金剛石半導(dǎo)體在各項(xiàng)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(xiàn)出色，使其成為下一代功率半導(dǎo)體器件材料。

此外，如果實(shí)現(xiàn)使用這些下一代材料的半導(dǎo)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(dòng)汽車快速充電系統(tǒng)、電動(dòng)空中交通系統(tǒng)和高效可再生能源系統(tǒng)預(yù)計(jì)它將被應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域和空間衛(wèi)星通信系統(tǒng)，因此被認(rèn)為是一個(gè)游戲規(guī)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(fā)，為金剛石MOSFET的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，并增加了電流容量，假設(shè)電力電子應(yīng)用。在這項(xiàng)研究中，通過回顧垂直金剛石MOSFET的器件設(shè)計(jì)，他們成功地降低了寄生電阻，提高了集成度，穩(wěn)定了大面積工藝，包括提高了成品率，并實(shí)現(xiàn)了最大漏極電流6.8假設(shè)我們能夠?qū)崿F(xiàn)A。

公司計(jì)劃通過與國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)等外部合作伙伴的合作，繼續(xù)進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)和應(yīng)用開發(fā)。

下一代功率半導(dǎo)體：金紅石型氧化物半導(dǎo)體混晶系

之前，京都大學(xué)（Kyoto University）、東京都產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究中心（Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Institute）、立命館大學(xué)三方宣布開發(fā)出金紅石型GeO2（r-GeO2） ，作為下一代功率半導(dǎo)體材料而受到關(guān)注。我們提出了一種新的金紅石型氧化物半導(dǎo)體混合晶體系統(tǒng)（GeO2-SnO2-SiO2），并宣布我們已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)的實(shí)用性并通過計(jì)算。

京都大學(xué)工學(xué)研究科研究生高根聰、研究生若松武、講師金子健太郎（現(xiàn)任立命館大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)教授）、研究所副所長(zhǎng)太田佑一發(fā)表了研究結(jié)果。東京都科學(xué)技術(shù)研究所，由研究人員和立命館大學(xué)理工學(xué)院教授荒木勉領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究小組。詳細(xì)信息發(fā)表在美國物理學(xué)會(huì)出版的學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論材料》上，該期刊涉及材料科學(xué)及所有相關(guān)領(lǐng)域。

超過3.4eV的超寬帶隙（UWBG）半導(dǎo)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(chǎng)值，使其成為低損耗和高性能的理想選擇有望成為實(shí)現(xiàn)耐壓功率器件的下一代半導(dǎo)體材料。

另一方面，傳統(tǒng)的UWBG半導(dǎo)體在器件開發(fā)和應(yīng)用中存在一些問題，例如昂貴的襯底和難以控制pn-pn傳導(dǎo)。近年來，r-GeO2作為一種新型的UWBG半導(dǎo)體備受關(guān)注。

r-GeO2受到關(guān)注的原因有以下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

必須具有與β-Ga2O3相當(dāng)?shù)拇髱?(4.7eV)

理論上預(yù)測(cè) pn 環(huán)境傳導(dǎo)和高電子/空穴遷移率的可能性

導(dǎo)熱系數(shù)必須超過β-Ga2O3

可以使用廉價(jià)的方法合成塊狀晶體

此外，2020年有薄膜生長(zhǎng)報(bào)道，針對(duì)功率器件應(yīng)用的r-GeO2研究目前正在加速。

考慮到這一背景，研究團(tuán)隊(duì)決定提出GeO為中心的新型混晶體系22-SiO2-SnO2與此同時(shí)，他們決定從實(shí)驗(yàn)和理論上證明這種混合晶體系統(tǒng)的實(shí)用性。

具體來說，作為實(shí)驗(yàn)方法，他們使用霧化學(xué)氣相沉積（霧CVD）在整個(gè)組成范圍內(nèi)合成了“r-Ge xSn1-xO2薄膜”，并分析了其物理性質(zhì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，晶格常數(shù)為可以通過改變成分來調(diào)節(jié)帶隙。同時(shí)，確認(rèn)了r-GexSn1-xO2 混晶薄膜各成分的晶格常數(shù)和帶隙值與第一原理計(jì)算計(jì)算出的值和趨勢(shì)相匹配假設(shè)在0≤x≤0.57(x：薄膜中的Ge組成)下表現(xiàn)出n型導(dǎo)電性。

此外，作為理論方法，利用第一性原理計(jì)算對(duì)r-GexSn1-xO2和r-GexSi1-xO2混晶進(jìn)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(dǎo)致的帶隙、導(dǎo)帶和價(jià)態(tài)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(shè)已經(jīng)提出了r-GexSi1-xO2作為勢(shì)壘層的有用性。

基于這項(xiàng)研究，研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)在r-GeO2等金紅石型氧化物半導(dǎo)體的研發(fā)方面取得進(jìn)一步進(jìn)展，以期將其應(yīng)用于功率器件。

使用氮化鋁基材料成功創(chuàng)建了理想的 p-n 結(jié)

名古屋大學(xué)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(xiàn)出理想特性的p-n結(jié)，該材料有望用作下一代半導(dǎo)體材料。

該成果是名古屋大學(xué)未來材料與系統(tǒng)研究所、Jun Suda 教授、Hiroshi Amano 教授和 Asahi Kasei 聯(lián)合研究小組的成果。詳細(xì)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(dǎo)體器件國際會(huì)議IEDM2023上公布，并稍后在IEEE數(shù)字圖書館上發(fā)布。

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

因此，研究團(tuán)隊(duì)通過在高質(zhì)量的AlN單晶襯底上使用化學(xué)成分（含有數(shù)%至30%的AlN的氮化鎵（GaN）），開發(fā)了一種AlN基材料，它是UWBG半導(dǎo)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(chuàng)建具有優(yōu)異性能的基于 AlN 的 p 層和 n 層。此外，為了實(shí)現(xiàn)理想的DPD，需要高質(zhì)量的薄膜晶體生長(zhǎng)技術(shù)，因此該技術(shù)的研發(fā)也同時(shí)取得進(jìn)展。

研究中，采用金屬有機(jī)氣相外延生長(zhǎng)（MOVPE ，在高質(zhì)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(jié)二極管。

由此制造的AlN基p-n結(jié)由于電流注入而表現(xiàn)出理想的電流-電壓特性、電壓-電容特性和發(fā)光特性。特別是電流-電壓特性顯示出優(yōu)異的耐高電壓性。針對(duì)其高擊穿電壓特性，我們測(cè)定了其介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)，結(jié)果為7.3MV/cm，這是AlN基pn結(jié)介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)的世界最高測(cè)量值。這是傳統(tǒng)Si半導(dǎo)體的約25倍，是具有優(yōu)異介電擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的寬帶隙WBG半導(dǎo)體碳化硅（SiC）和GaN的約2倍。據(jù)稱，AlN基p-n結(jié)的實(shí)現(xiàn)滿足所有這些優(yōu)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(yù)計(jì)在未來的研究中將進(jìn)一步提高相同的值。

這項(xiàng)研究的成果是“利用高質(zhì)量的AlN單晶基板基材”、“巧妙地實(shí)現(xiàn)理想的DPD層形成的薄膜晶體生長(zhǎng)技術(shù)（外延生長(zhǎng)技術(shù)）”、“器件（ pn 這是通過結(jié)合“結(jié)型二極管（結(jié)型二極管）制造技術(shù)”而實(shí)現(xiàn)的。其中使用的AlN單晶基板基材是旭化成的技術(shù)，其余兩項(xiàng)是名古屋大學(xué)與旭化成共同研究的成果。

在這項(xiàng)研究中，實(shí)驗(yàn)表明，通過使用分布式極化摻雜作為雜質(zhì)摻雜的替代方案，即使在 AlN 基半導(dǎo)體中也可以實(shí)現(xiàn)良好的 p-n 結(jié)。此外，AlN材料最重要的物理性能值——介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明至少是傳統(tǒng)WBG半導(dǎo)體的兩倍。研究小組預(yù)計(jì)，這項(xiàng)研究結(jié)果將刺激對(duì)AlN基材料的研究，并擴(kuò)大利用DPD的各種設(shè)備的研究和開發(fā)。

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(xué)（Shindai）、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）三方宣布推出6英寸“β型氧化鎵”（他們聯(lián)合宣布）他們已成功制備出β-Ga2O3 單晶。

β-Ga2O3是一種優(yōu)異的功率半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)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(zhǎng)法”以低成本制造高質(zhì)量的單晶襯底。如果使用具有這些優(yōu)點(diǎn)的β-Ga2O3功率器件能夠投入實(shí)際應(yīng)用，將導(dǎo)致家電、電動(dòng)汽車、鐵路車輛、工業(yè)設(shè)備、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等電力電子設(shè)備的損耗更低。發(fā)電等——期望很高，因?yàn)樗梢越档统杀尽?/p>

為了降低β-Ga2O3功率器件的成本并使其廣泛應(yīng)用于社會(huì)，必須增大β-Ga2O3襯底的直徑，并且強(qiáng)烈渴望更大的單晶。信州大學(xué)開發(fā)出利用VB法生長(zhǎng)β-Ga2O3單晶的技術(shù)，并已成功生產(chǎn)出2英寸和4英寸的單晶。NCT繼承了Shindai的這項(xiàng)技術(shù)，并不斷開發(fā)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(zhǎng)裝置，并嘗試采用VB法生產(chǎn)6英寸單晶。

EFG法是傳統(tǒng)的β-Ga2O3單晶生產(chǎn)技術(shù)。此法是飼養(yǎng)方法之一，是一種容易達(dá)到高生長(zhǎng)率的養(yǎng)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(huì)產(chǎn)生不必要的零件，導(dǎo)致成本較高，而且β-Ga2O3晶體的各向異性強(qiáng)，這造成了問題在于晶體拉制方向受到強(qiáng)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(fā)的VB法是一種生長(zhǎng)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(yīng)地降低成本。

此外，與使用提拉法的生長(zhǎng)方法不同，該生長(zhǎng)方法在坩堝中使熔體凝固，因此不易受到晶體各向異性對(duì)生長(zhǎng)平面的約束，并且可以產(chǎn)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(huán)境中生長(zhǎng)，這使得可以獲得更高質(zhì)量的晶體，并且由于可以獲得垂直于晶體生長(zhǎng)方向的襯底，因此可以在溫度梯度較小的環(huán)境中生長(zhǎng)晶體，假設(shè)還具有有望提高面內(nèi)濃度均勻性的優(yōu)點(diǎn)。

目前，該研究團(tuán)隊(duì)已成功利用VB法生產(chǎn)出6英寸的β-Ga2O3 單晶，沒有出現(xiàn)任何問題。確認(rèn)從晶種到最終固化部分都是透明的，是單晶。此外，假設(shè)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(zhǎng)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(zhǎng)的晶體的品質(zhì)，在AIST中使用作為晶體缺陷評(píng)價(jià)方法之一的X射線形貌法來評(píng)價(jià)晶體品質(zhì)。結(jié)果，證實(shí)了在EFG法基板上以高密度出現(xiàn)線狀缺陷，而證實(shí)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(fā)現(xiàn)了看起來像網(wǎng)絡(luò)的東西，但據(jù)說這被認(rèn)為是位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)。雖然使用 EFG 在基板表面上沒有觀察到網(wǎng)狀對(duì)比度，但由于線性缺陷引起的應(yīng)變場(chǎng)較大，因此很難看到。

基于上述觀察結(jié)果，研究小組發(fā)現(xiàn)，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(zhì)量有所提高。今后，NCT將繼續(xù)開發(fā)采用VB法的高品質(zhì)單晶生長(zhǎng)技術(shù)，并致力于開發(fā)利用該方法的優(yōu)勢(shì)之一的生長(zhǎng)面取向的靈活性的基板。

審核編輯：黃飛

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