用于電氣化的下一代 GaN

氮化鎵是未來(lái)節(jié)能電動(dòng)汽車和 5G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分。Hexagem是一家位于隆德大學(xué)的初創(chuàng)公司，正在瑞典研究機(jī)構(gòu)Rise 測(cè)試平臺(tái) ProNano開發(fā)一種新的解決方案。該解決方案應(yīng)有助于實(shí)現(xiàn)更大的電氣化和可持續(xù)的未來(lái)。Hexagem 首席執(zhí)行官 Mikael Bj?rk 和 Rise 高級(jí)項(xiàng)目經(jīng)理 Michael Salter 在接受 Power Electronics News 采訪時(shí)指出了這種合作的重要性，這將導(dǎo)致 Hexagem 的技術(shù)在未來(lái)的能源應(yīng)用中得到實(shí)施。

“他們已經(jīng)在研究實(shí)驗(yàn)室中小規(guī)模地展示了他們的技術(shù)，但現(xiàn)在，他們正在我們的實(shí)驗(yàn)室將工藝轉(zhuǎn)移到更大的晶圓尺寸上，以嘗試擴(kuò)大技術(shù)規(guī)模，”Salter 說(shuō)。

“ProNano 為我們提供的優(yōu)勢(shì)是 Hexagem 可以使用最先進(jìn)的設(shè)施和工具，特別是能夠生產(chǎn) 6 英寸晶圓的 MOCVD [金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積]，”Bj?rk 說(shuō)。“通常情況下，這類工具很難讓初創(chuàng)公司自己融資。此外，Rise 人員在 GaN 材料、加工和表征方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。”

Hexagem 的 Mikael Bj?rk

崛起的邁克爾·索爾特

行業(yè)

隨著降低 CO 2?排放的社會(huì)壓力和法規(guī)的增加，從汽車到電信等行業(yè)部門正被推動(dòng)投資于更高效的電力轉(zhuǎn)換和更多電氣化。傳統(tǒng)的硅基功率半導(dǎo)體技術(shù)，如絕緣柵雙極晶體管，在工作頻率和速度方面存在基本限制，以及高溫和低電流性能較差。高壓 Si FET 的頻率和高溫性能同樣受到限制。因此，寬帶隙半導(dǎo)體在許多應(yīng)用中變得越來(lái)越流行。

GaN 功率半導(dǎo)體作為下一代高性能 EV 的關(guān)鍵部件，正獲得越來(lái)越多的關(guān)注，有助于減小尺寸和重量，同時(shí)提高效率。這些考慮解決了與范圍有關(guān)的問(wèn)題。工程師可以使用 GaN 來(lái)創(chuàng)建比 Si 基系統(tǒng)更小、更輕 4 倍、能量損失少 4 倍的電力電子系統(tǒng)。零反向恢復(fù)可減少電池充電器和牽引逆變器的開關(guān)損耗，以及更高的頻率和更快的開關(guān)速率等優(yōu)點(diǎn)。此外，降低開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷損耗有助于減少用于 EV 充電器和逆變器等應(yīng)用的電容器、電感器和變壓器的重量和體積。

氮化鎵晶圓

下一代節(jié)能半導(dǎo)體將有助于為可持續(xù)的未來(lái)創(chuàng)造新的解決方案。這一切都意味著減少 CO 2排放，從而從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看改善全球變暖。許多機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)表明，到 2050 年，用電量將增加到 200 太瓦時(shí)以上，這一數(shù)字需要在設(shè)計(jì)層面予以關(guān)注。

半導(dǎo)體基板或晶圓的目標(biāo)是控制電流，從而控制整個(gè)終端設(shè)備的性能。圓形晶圓被切割成郵票大小的碎片，封裝在包含數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶體管的微芯片中。

大多數(shù)半導(dǎo)體由硅制成，但正在開發(fā)不同的變體以滿足能源應(yīng)用對(duì)更高效率的需求。例如，在一輛汽車中，需要 1000 多個(gè)芯片，而且這個(gè)數(shù)字很可能會(huì)增長(zhǎng)。半導(dǎo)體的未來(lái)發(fā)展將允許通過(guò)輔助集成來(lái)包含更多晶體管。

Hexagem 使用 GaN-on-Si 晶圓開發(fā)半導(dǎo)體。Hexagem 對(duì)高質(zhì)量 GaN-on-Si 的開發(fā)活動(dòng)旨在降低未來(lái)應(yīng)用的成本和規(guī)模優(yōu)勢(shì)。他們正在尋找更高的額定電壓要求。Hexagem 表示，所提供的技術(shù)將通過(guò)利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)降低成本。

GaN-on-Si技術(shù)在發(fā)展方面的口碑并不好。它有其挑戰(zhàn)，由于 GaN 和 Si 之間的原子尺度界面上的材料特性不匹配，因此生長(zhǎng) GaN-on-Si 并不容易。

“該技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)將是提供更低的缺陷密度和增加的 GaN 厚度，以實(shí)現(xiàn) 900 至 1,200 V 的功率器件，”Bj?rk 說(shuō)。

制造組織越來(lái)越依賴他們同時(shí)設(shè)計(jì)產(chǎn)品和供應(yīng)鏈的能力。GaN-on-Si 的主要優(yōu)勢(shì)之一是它是在 Si 襯底上制造的，因此它現(xiàn)在為 150 毫米寬，并計(jì)劃擴(kuò)大到 200 毫米，大多數(shù)反應(yīng)器都可以容納兩者。

晶圓制造（來(lái)源：Rise）

缺陷

在半導(dǎo)體外延材料制造過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)，即材料中的缺陷。半導(dǎo)體中的缺陷越多，晶圓上可以生產(chǎn)的可用器件就越少，從而增加了成本。此外，較差的材料界面會(huì)導(dǎo)致器件溝道電阻較高，從而導(dǎo)致在運(yùn)行過(guò)程中浪費(fèi)更多的能量，使芯片的能效降低。

“我們已經(jīng)安裝并運(yùn)行了一個(gè) MOCVD 反應(yīng)器，用于在硅晶片上生長(zhǎng) GaN，”Salter 說(shuō)?！拔覀冋谕顿Y這種設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施，這需要額外的設(shè)備和專業(yè)的工藝設(shè)施，如氣體和冷卻水。生長(zhǎng)具有低缺陷密度的 GaN 是氮化鎵應(yīng)用以及在沉積過(guò)程中控制材料質(zhì)量的最大挑戰(zhàn)之一。在沉積過(guò)程中控制基礎(chǔ)材料和摻雜劑濃度允許在器件級(jí)實(shí)現(xiàn)低電阻器件接觸。這也會(huì)影響器件可以承受的擊穿電壓類型和電流水平。此外，在半導(dǎo)體材料和器件觸點(diǎn)之間具有良好的界面有助于優(yōu)化制造器件的電氣性能?！?/p>

上升測(cè)試和演示設(shè)施 ProNano 提供各種基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)幫助您加快啟動(dòng)測(cè)試，而無(wú)需在昂貴的設(shè)備上花費(fèi)大量資金。納米線是使用 ProNano 的 MOCVD 技術(shù)制造的，可在硅晶片上產(chǎn)生薄 GaN 層。晶圓在各個(gè)層面都經(jīng)過(guò)處理和確認(rèn)，以產(chǎn)生 GaN 納米線可以“生長(zhǎng)”的圖案，然后結(jié)合在一起形成高質(zhì)量的薄外延層。然后在電子顯微鏡下檢查晶片以檢查其質(zhì)量。

據(jù)Hexagem稱，目前，GaN-on-Si半導(dǎo)體每平方厘米有1億個(gè)缺陷。“這將是 10 8 cm –2數(shù)量級(jí)的位錯(cuò)密度；當(dāng)今最先進(jìn)的硅晶片是中高 10 8 cm –2，”Bj?rk 說(shuō)。Hexagem 相信我們可以顯著提高材料質(zhì)量，并很快接近每平方厘米 1000 萬(wàn)個(gè)缺陷，從而超越競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

“缺陷通常是導(dǎo)致非狀態(tài)泄漏的位錯(cuò)，”Bj?rk 說(shuō)?！敖柚?Hexagem 技術(shù)，我們能夠分兩步減少位錯(cuò)：首先，通過(guò)生長(zhǎng) GaN 納米線過(guò)濾 GaN 緩沖位錯(cuò)，其次，通過(guò)將線仔細(xì)合并成平面 GaN 層來(lái)控制新位錯(cuò)的形成。”

垂直晶圓

目標(biāo)是擁有更大的晶圓或生產(chǎn)更厚的垂直 GaN 半導(dǎo)體。據(jù) Hexagem 稱，如今 2 到 4 微米厚的層很常見。他們的目標(biāo)是在 2022 年生產(chǎn) 10 微米厚的解決方案。

“更大的晶圓意味著通過(guò)增加每個(gè)晶圓的設(shè)備數(shù)量來(lái)提高規(guī)模經(jīng)濟(jì)，”Bj?rk 說(shuō)?！叭秉c(diǎn)是在較大晶圓上控制晶圓彎曲通常更困難。較厚的 GaN 層將使器件具有更高的額定電壓，這對(duì)于解決 900 至 1,200 V 器件市場(chǎng)非常重要。它還將支持垂直設(shè)備設(shè)計(jì)，這將帶來(lái)一些好處，例如將電壓縮放與設(shè)備占位面積分離。Hexagem 旨在為 1,200-V 器件設(shè)計(jì)開發(fā)高質(zhì)量的 GaN-on-silicon，并將該技術(shù)授權(quán)給工業(yè)合作伙伴?！?/p>

Hexagem 技術(shù)允許電流在晶圓平面上垂直流動(dòng)而不是水平流動(dòng)，從而減小了組件的尺寸，但最重要的是，它們可以處理更高的電流和電壓。

半導(dǎo)體加工

如上所述，MOCVD 是由具有大帶隙的半導(dǎo)體材料制造晶體管的主要工藝。特定氣體（或蒸汽）在特定溫度和壓力下在 MOCVD 系統(tǒng)中流過(guò)基板表面。頂層以這種方式“發(fā)展”成晶體結(jié)構(gòu)，一次一個(gè)原子層，跨越多個(gè)層。該技術(shù)被稱為外延或晶體生長(zhǎng)。為了創(chuàng)建 3D 納米結(jié)構(gòu)（例如納米線），可以在襯底的整個(gè)表面或襯底的選定部分上生長(zhǎng)層。

外延層可以使用 MOCVD 工藝在不同材料的襯底上生長(zhǎng)，例如硅、碳化硅、GaN、金剛石或藍(lán)寶石。材料具有不同程度的難于獲得很少的晶體缺陷。

接下來(lái)，通過(guò)半導(dǎo)體制造常見的附加處理步驟（例如光刻、蝕刻或金屬或絕緣體沉積）來(lái)創(chuàng)建晶片的晶體管和其他電子元件。最后，完成的晶圓被切割成郵票大小的小塊，封裝在電子包裝中，經(jīng)過(guò)測(cè)試，然后沿著供應(yīng)鏈發(fā)送到三星、沃爾沃、蘋果和愛立信等供應(yīng)鏈，最后進(jìn)入微處理器在手機(jī)或汽車中。

在硅上制造 GaN 晶圓的主要階段是襯底清洗，然后是在清潔環(huán)境中進(jìn)行圖案生長(zhǎng)，以及在圖案生長(zhǎng)過(guò)程中進(jìn)一步清潔襯底。下一步是通過(guò) MOCVD 外延制造 GaN 半導(dǎo)體。根據(jù)特定的技術(shù)需要，將基板放入 MOCVD 室中，以生成不同組合的 GaN、AlGaN 或 InGaN 的晶體層。之后，使用電子顯微鏡檢查材料，并進(jìn)行測(cè)試以驗(yàn)證材料的導(dǎo)電性和其他性能。

審核編輯 黃昊宇