垂直GaN功率器件徹底改變功率半導(dǎo)體

使用GaN（氮化鎵）的功率半導(dǎo)體作為節(jié)能/低碳社會(huì)的關(guān)鍵器件而受到關(guān)注。兩家日本公司聯(lián)手創(chuàng)造了一項(xiàng)新技術(shù)，解決了導(dǎo)致其全面推廣的問(wèn)題。OKI 和 Shin-Etsu Chemical 開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)新技術(shù)，可以以比傳統(tǒng)技術(shù)低 90% 的成本制造“垂直 GaN”功率器件。

在2023年10月5日聯(lián)合舉行的新聞發(fā)布會(huì)上，兩家公司談?wù)摿嗽摷夹g(shù)的細(xì)節(jié)、其發(fā)展歷史以及未來(lái)前景。

下一代功率半導(dǎo)體市場(chǎng)前景和GaN挑戰(zhàn)

根據(jù)富士經(jīng)濟(jì)的《2023年下一代功率器件和電力電子相關(guān)設(shè)備市場(chǎng)的現(xiàn)狀和未來(lái)》，超越傳統(tǒng)硅功率半導(dǎo)體的耐壓和低損耗極限的下一代功率半導(dǎo)體的全球市場(chǎng)預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)，2035年預(yù)計(jì)將比2022年增長(zhǎng)31.1倍，達(dá)到54,485億日元。目前投入實(shí)用的下一代功率半導(dǎo)體是SiC（碳化硅）和GaN，而在推動(dòng)市場(chǎng)擴(kuò)大的汽車領(lǐng)域，能夠處理高電壓和大電流的SiC是主流。因此，GaN主要應(yīng)用于消費(fèi)領(lǐng)域，包括移動(dòng)快速充電器。

目前主流的GaN功率器件是硅基GaN和藍(lán)寶石基GaN器件，它們是在硅或藍(lán)寶石襯底上異質(zhì)外延生長(zhǎng)GaN制成的。這些雖然可以以相對(duì)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(lán)寶石本身是絕緣體，所以無(wú)法垂直導(dǎo)通，但在高頻時(shí)不適合。為了支持高電壓/大電流，需要能夠垂直導(dǎo)電的“垂直GaN”，例如GaN on GaN，即在GaN襯底上生長(zhǎng)GaN層，但目前GaN晶圓價(jià)格昂貴，尺寸僅為2至4英寸左右。尺寸，還有成本問(wèn)題，比如直徑小。

兩家公司開(kāi)發(fā)的新技術(shù)采用OKI開(kāi)發(fā)的“CFB（晶體薄膜接合）技術(shù)”來(lái)剝離“QST基板”上生長(zhǎng)的單晶GaN，“QST基板”是信越化學(xué)專門(mén)針對(duì)GaN專門(mén)改進(jìn)的復(fù)合材料基板生長(zhǎng)，粘合到不同的材料基材上。這使得能夠以低成本同時(shí)實(shí)現(xiàn)垂直GaN導(dǎo)電性和大直徑晶圓，并“有助于垂直GaN功率器件在社會(huì)上的實(shí)現(xiàn)和普及?！?兩家公司于 2023 年 9 月宣布了這項(xiàng)技術(shù)，并在 10 月 5 日的新聞發(fā)布會(huì)上，兩家公司的代表解釋了細(xì)節(jié)和未來(lái)前景。

信越化學(xué)的QST基材是什么？

對(duì)于信越化學(xué)的QST基板，該公司異質(zhì)半導(dǎo)體基板推進(jìn)室(HSSI)主任Masato Yamada解釋了其特點(diǎn)和商業(yè)模式。

QST基板是專門(mén)為GaN外延生長(zhǎng)而開(kāi)發(fā)的復(fù)合材料基板，信越化學(xué)于2019年獲得美國(guó)Qromis的許可。該公司銷售 QST 襯底，并為在相同襯底上外延生長(zhǎng)的產(chǎn)品提供服務(wù)。

QST 基板以“CTE 匹配核心”為中心，該核心是一個(gè)陶瓷（主要是氮化鋁）核心，其熱膨脹系數(shù)與 GaN 匹配，周圍是多個(gè)工程層和一個(gè) BOX 層。電影）等 此外，表面層由用作GaN種子襯底的硅(111)晶體構(gòu)成。從厚度來(lái)看，CTE匹配核心占據(jù)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(zhì)厚膜GaN，QST襯底特點(diǎn)

對(duì)于在傳統(tǒng)硅襯底上形成GaN的硅基GaN來(lái)說(shuō)，硅和GaN的熱膨脹系數(shù)顯著不同，導(dǎo)致由于拉應(yīng)力而導(dǎo)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(zhǎng)大直徑、高質(zhì)量的厚膜GaN。據(jù)山田先生介紹，該公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了20μm以上的高質(zhì)量GaN外延生長(zhǎng)。山田先生解釋說(shuō)：“通過(guò)使用多種技術(shù)，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了約 5 x 106 的缺陷密度。換句話說(shuō)，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(shù)與GaN的熱膨脹系數(shù)相匹配，因此還可以簡(jiǎn)化緩沖層。如下圖所示，在生長(zhǎng)6μm GaN層的情況下，使用硅襯底時(shí)，GaN層的厚度可以在一半的生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)大約增加一倍。山田先生表示：“可以提高外延設(shè)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(lái)抑制翹曲（對(duì)于6μm的GaN生長(zhǎng)，需要1mm或以上的厚度），并且使用專門(mén)設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體器件。尺寸可與符合SEMI和JEITA標(biāo)準(zhǔn)的基板厚度一起使用，因此無(wú)需修改或改進(jìn)設(shè)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(xué)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(shuō)，在使用 QST 襯底制造器件時(shí)，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(kāi)發(fā) 300 毫米（12 英寸）QST 基板，并計(jì)劃于 2024 年開(kāi)始提供樣品。

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

一個(gè)將改變行業(yè)力量平衡的突破

OKI的CFB技術(shù)由OKI創(chuàng)新業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)中心CFB開(kāi)發(fā)部設(shè)備應(yīng)用團(tuán)隊(duì)經(jīng)理谷川健一進(jìn)行了講解。

CFB技術(shù)是OKI的專有技術(shù)，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(jī)中安裝的打印頭 LED 陣列的尺寸和成本而開(kāi)發(fā)的。具體而言，將由化合物半導(dǎo)體制成的LED晶體薄膜剝離并直接粘合到由硅制成的驅(qū)動(dòng)IC上。

據(jù)該公司介紹，CFB技術(shù)于2006年投入實(shí)際應(yīng)用，在其打印機(jī)業(yè)務(wù)中出貨量已達(dá)1000億點(diǎn)，但迄今為止其使用僅限于自有產(chǎn)品。與此同時(shí)，在2022年7月左右，他偶然發(fā)現(xiàn)了信越化學(xué)的QST襯底上的GaN，這導(dǎo)致了結(jié)合QST襯底和CFB技術(shù)的新技術(shù)的開(kāi)發(fā)。OKI 創(chuàng)新業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)中心 CFB 開(kāi)發(fā)經(jīng)理 Takato Suzuki 表示：“我們聽(tīng)到這個(gè)故事的那一刻，立即確信兩家公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的技術(shù)將成為一項(xiàng)突破，徹底改變功率半導(dǎo)體行業(yè)?！?/p>

“基材可回收”新技術(shù)詳情

兩家公司宣布的新技術(shù)涉及在 QST 襯底上生長(zhǎng) 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(guò)金屬層（例如鈦鋁）進(jìn)行粘合，從而實(shí)現(xiàn)電粘合（具有電壓曲線）。此時(shí)，還可以去除緩沖層和硅(111)，從而可以實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)通。如上所述，8英寸QST襯底與2英寸GaN襯底的價(jià)格大致相同，因此采用新技術(shù)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(shù)去除GaN功能層后，QST襯底也可以通過(guò)一定的處理重新用作QST襯底，盡管它不會(huì)保持完整。目前正在開(kāi)發(fā)回收該板的技術(shù)，他表示希望如果實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用，將有可能進(jìn)一步降低成本。

CFB技術(shù)可以粘合到各種基材上，只要它們具有與半導(dǎo)體晶圓相當(dāng)?shù)谋砻嫫秸?。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(dǎo)體硅片、玻璃硅片等基板接合。

OKI的CFB技術(shù)目前與6英寸顯示器兼容。在本次發(fā)布會(huì)上，他們推出了將GaN功能層粘合到整個(gè)6英寸晶圓上的實(shí)際產(chǎn)品。谷川先生表示，雖然成品率仍然較低，但他說(shuō)：“（CFB技術(shù)流程）涉及剝離、運(yùn)輸和粘貼，但最困難的部分是剝離部分。設(shè)計(jì)需要吸收內(nèi)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(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)。” 該公司還解釋說(shuō)，他們正在“準(zhǔn)備支持 8 英寸，目標(biāo)是在 2025 年開(kāi)始研發(fā)”。關(guān)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(dá) 7 μm?！?要實(shí)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(guò)未來(lái)的開(kāi)發(fā)可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)?！?/p>

在比較使用 QST×CFB 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的垂直 GaN 功率器件和 GaN on GaN 器件的特性時(shí)，據(jù)說(shuō)“從缺陷密度來(lái)看，我們的（基于 QST×CFB 技術(shù)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(wú)法匹配特性，但在成本方面具有很大優(yōu)勢(shì)。此外，根據(jù)未來(lái)的發(fā)展，缺陷密度也將在 5 × 105

商業(yè)模式

兩家公司還解釋了使用QST x CFB技術(shù)的垂直GaN功率器件制造工藝的商業(yè)模式。具體來(lái)說(shuō)，我們?cè)O(shè)想兩種類型：“CFB 前”和“CFB 后”。

在 Pre CFB 中，OKI 使用 CFB 技術(shù)在器件預(yù)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(yè)模式。器件制造商使用這些襯底來(lái)制造 GaN HEMT/MOSEFT 器件。Post CFB是一種商業(yè)模式，其中器件制造商首先在信越化學(xué)提供的QST基板上形成器件，然后OKI使用CFB將功能層轉(zhuǎn)移到另一個(gè)基板上。Tanikawa 先生解釋說(shuō)：“Pre CFB 可以從頭開(kāi)始，而 Post CFB 可以按原樣使用現(xiàn)有架構(gòu)。后者可能會(huì)更快啟動(dòng)?！?/p>

谷川先生還評(píng)論了這項(xiàng)新技術(shù)，他說(shuō)：“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(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，并與器件制造商一起展示它”他說(shuō)。

未來(lái)的計(jì)劃和展望

OKI 預(yù)計(jì)將于 2024 年開(kāi)始向客戶推出該技術(shù)。關(guān)于批量生產(chǎn)的開(kāi)始日期，他表示，“我們正在考慮從小規(guī)模開(kāi)始，從 2026 年左右開(kāi)始?！?初期階段，該公司計(jì)劃在自己的半導(dǎo)體工廠處理這一問(wèn)題，并計(jì)劃推進(jìn)準(zhǔn)備工作，以在 2025 年左右實(shí)現(xiàn) 8 英寸的支持。此外，如果未來(lái)市場(chǎng)真正擴(kuò)大，OKI將能夠提供薄膜狀材料的產(chǎn)品，客戶可以在其上附加功能層，之后，只要他們擁有安裝設(shè)備，他們可以在不同的地點(diǎn)使用它。該公司還在考慮開(kāi)發(fā)橫向分工業(yè)務(wù)，以實(shí)現(xiàn)連接。

另一方面，據(jù)說(shuō)信越化學(xué)正在進(jìn)行投資，到 2024 年將 QST 基板的產(chǎn)能翻一番。山田先生還提到了采取進(jìn)一步措施的可能性，他說(shuō)：“如果這項(xiàng)技術(shù)在未來(lái)得到普及，我認(rèn)為我們目前的水平還不夠?！?對(duì)于300mm QST基板的開(kāi)發(fā)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就需要提高陶瓷芯的平坦度。這不是問(wèn)題”。更長(zhǎng)的延伸 6 或 8 英寸，我們正在尋找進(jìn)一步改進(jìn)它的解決方案?！?關(guān)于垂直器件結(jié)晶度的進(jìn)一步改進(jìn)，他說(shuō)：“有很多想法，我相信隨著時(shí)間的推移，我們可以做出重大改進(jìn)?！?/p>

審核編輯：劉清