1200V氮化鎵挑戰(zhàn)SiC是否真的可行？

在全球最大的電力電子展 PCIM Europe 2023 上，旨在以類似硅的成本實現(xiàn)垂直 GaN（氮化鎵）功率晶體管的歐洲財團 YESvGaN 介紹了其方案。

近年來，SiC（碳化硅）、GaN（氮化鎵）等寬帶隙（WBG）功率半導(dǎo)體的開發(fā)和市場導(dǎo)入速度加快，但與硅相比成本較高的問題依然存在。此外，GaN功率器件分為在硅片上形成GaN活性層的“水平型”和直接使用GaN襯底的“垂直型”。使用硅片的臥式可以以較低的成本獲得GaN的高頻特性，但不適合需要650V以上的高耐壓的情況。另一方面，垂直型比水平型更適合高電壓和大電流，但GaN晶圓價格昂貴，直徑小，約為2至4英寸。

YESvGaN 是一項于 2021 年啟動的歐洲研究項目，旨在通過展示一種新型垂直 GaN 功率晶體管來解決這些問題，該晶體管以與硅相當?shù)某杀緦崿F(xiàn)垂直 WGB 晶體管的性能。YESvGaN 聯(lián)盟總部位于七個國家，包括羅伯特博世、意法半導(dǎo)體、Soitec、Siltronic、AIXTRON、X-FAB、德國研究機構(gòu) Fraunhofer IISB、費迪南德布勞恩研究所、比利時根特大學(xué)和德國大學(xué)等公司。西班牙巴倫西亞23。它由公司/組織組成，由歐盟研發(fā)計劃“ECSEL JU”和歐洲國家資助。

該研究正朝著實現(xiàn)兩種垂直特性的方向進行，同時獲得在硅或藍寶石襯底上異質(zhì)外延生長 GaN 的成本優(yōu)勢。

之所以不能采用GaN on Silicon（在硅襯底上生長GaN），首先是因為它需要絕緣緩沖層。藍寶石本身也是絕緣體。因此，該項目正在著手開發(fā)一種“垂直 GaN 薄膜晶體管”，它在 GaN 生長后去除器件區(qū)域正下方的緩沖層、硅和藍寶石襯底本身，并從背面直接連接到 GaN 層金屬觸點。目標是使用最大300mm的硅或藍寶石晶圓實現(xiàn)耐壓為650～1200V級的縱型GaN功率晶體管。據(jù)稱可以兼顧低成本和高耐壓。

在 YESvGaN 中，參與公司/組織正在按照以下步驟進行研究以實現(xiàn)這一目標。

為實現(xiàn) 650-1200V 級，在硅/藍寶石襯底上實現(xiàn)厚漂移層外延生長達 300mm 的技術(shù)開發(fā)；

最大1200V/100A導(dǎo)通電阻4mΩcm2垂直GaN功率晶體管的開發(fā)及與硅IGBT成本相同的工藝技術(shù)；

先進的鍵合和剝離技術(shù)可通過干法蝕刻去除硅襯底和緩沖層，通過激光剝離和背面功率金屬化實現(xiàn)藍寶石襯底剝離和歐姆接觸形成；

開發(fā)功率晶體管組裝和互連技術(shù)開發(fā)，相應(yīng)的可靠性表征；

為開發(fā)的功率晶體管創(chuàng)建數(shù)據(jù)表并在多個應(yīng)用演示機中演示系統(tǒng)效率改進；

在今年的 PCIM 上，多家參展公司/組織在其展位上介紹了他們的 YESvGaN 計劃。在羅伯特·博世展臺的一角，項目協(xié)調(diào)員克里斯蒂安·胡貝爾負責(zé)。

展位上，在硅和藍寶石上生長了二極管擊穿電壓超過500V的堆疊層，并在150mm GaN on Silicon晶圓上去除了硅，形成了4μm厚、最大直徑為5mm的GaN薄膜。介紹了其進展情況每一步，包括無缺陷形成和帶有肖特基二極管的垂直器件的演示實驗。展出的還有實際上從 GaN 器件區(qū)域去除了硅的晶圓。

Huber 先生說：“目前，最終的晶體管尚未完成。此外，我們正在進行研究，目的是證明這項技術(shù)是否可以實現(xiàn)。我們預(yù)計這將加速量產(chǎn)。垂直GaN?！?/p>

他們想用垂直GaN取代SiC！

一家基于專有的氮化鎵（“GaN”）加工技術(shù)開發(fā)創(chuàng)新型高壓功率開關(guān)元件的半導(dǎo)體器件公司Odyssey Semiconductor Technologies, Inc今天宣布，公司的垂直GaN產(chǎn)品樣品制作完成，并于 2023 年第一季度開始向客戶發(fā)貨。

該公司的首席執(zhí)行官評論道：“我們積壓的客戶一直在熱切地等待這些垂直 GaN 產(chǎn)品樣品。我很自豪地報告說，制造已按計劃于 2022 年第四季度完成，現(xiàn)在正在準備樣品，以便在本季度晚些時候運送給客戶?！薄拔覀儗⑴c這些初始客戶密切合作，以獲得有關(guān)他們產(chǎn)品功能的寶貴反饋。我們希望在 2023 年第二季度末與客戶達成產(chǎn)品開發(fā)協(xié)議?！彼又f。

CEO進一步指出，產(chǎn)品樣品制造的完成鞏固了 Odyssey 作為功率應(yīng)用垂直 GaN 技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者的地位。它需要我們的重要知識產(chǎn)權(quán)來制造適用于客戶用例的產(chǎn)品。展望未來，Odyssey 繼續(xù)開發(fā)和保護所需的 IP，并將通過與主要客戶合作獲得更多優(yōu)勢，這些客戶將提供更多見解以確保產(chǎn)品成功。

據(jù)報道，Odyssey 的垂直 GaN 方法將比碳化硅或橫向 GaN 提供比硅更大的商業(yè)優(yōu)勢。垂直 GaN 在競爭技術(shù)無法達到的性能和成本水平上比碳化硅 (SiC) 具有 10 倍的優(yōu)勢。

報道指出，650 伏部分是當今更大的市場，預(yù)計將以 20% 的復(fù)合年增長率增長。1200 伏產(chǎn)品細分市場預(yù)計將以 63% 的復(fù)合年增長率更快地增長，并將在本十年的下半年成為更大的市場。根據(jù)法國市場研究公司 Yole Group 的數(shù)據(jù)，到 2027 年，650 伏和 1200 伏功率設(shè)備市場預(yù)計將超過 50 億美元，復(fù)合年增長率為 40%。

從報道可以看到，Odyssey Semiconductor Technologies, Inc開發(fā)了一項專有技術(shù)，旨在讓 GaN 取代 SiC 作為新興的高壓功率開關(guān)半導(dǎo)體材料。公司總部位于紐約州伊薩卡，擁有并經(jīng)營一個 10,000 平方英尺的半導(dǎo)體晶圓制造設(shè)施，配備 1,000 級和 10,000 級潔凈空間以及用于先進半導(dǎo)體開發(fā)和生產(chǎn)的工具。Odyssey Semiconductor 還提供世界一流的半導(dǎo)體器件開發(fā)和代工服務(wù)。

用1200V氮化鎵挑戰(zhàn)SiC？他們在路上

Odyssey Semiconductor Technologies 正在美國制造工作電壓為 650V 和 1200V 的垂直氮化鎵 (GaN) FET 晶體管樣品。

計劃于 2022 年第四季度提供用于客戶評估的器件產(chǎn)品樣品。這一舉措意義重大，因為全球有多個 1200V 垂直 GaN 項目，歐洲的 imec 和 Bosch 致力于該技術(shù)，而中國的 Enkris 生產(chǎn)適用于此類的 300mm 外延片設(shè)備。

該公司表示，垂直結(jié)構(gòu)將為 650 和 1200 伏器件提供更低的導(dǎo)通電阻和更高的品質(zhì)因數(shù)，其導(dǎo)通電阻僅為碳化硅 (SiC) 的十分之一，并且工作頻率明顯更高。

它表示已獲得三個客戶的承諾，以評估這些第一代產(chǎn)品樣品。它正在研究產(chǎn)品樣品的進一步客戶參與。

“Odyssey 實現(xiàn) 1200 伏垂直 GaN 功率器件這一里程碑的重要性怎么強調(diào)都不為過，”O(jiān)dyssey 首席執(zhí)行官 Mark Davidson 說。“我們正在從工藝和材料研發(fā)到以橫向 GaN 實際無法達到的電壓提供產(chǎn)品，而經(jīng)濟性硅和碳化硅無法達到。對于相同的應(yīng)用，我們的垂直 GaN 產(chǎn)品將提供比碳化硅晶體管小近 10 倍的高功率轉(zhuǎn)換效率。”

“我們不只是制造測試結(jié)構(gòu)。我們正在構(gòu)建客戶需要的產(chǎn)品樣品。隨著客戶全面了解 Odyssey 功率器件的功能，Odyssey 將繼續(xù)履行新的產(chǎn)品樣品承諾。公司擁有獨特的專業(yè)知識和知識產(chǎn)權(quán)組合來保護它。通過我們在紐約伊薩卡的自己的鑄造廠，我們可以快速創(chuàng)新并控制我們向客戶供應(yīng)產(chǎn)品的能力，”他說。

Odyssey 表示，其垂直 GaN 方法將提供硅、碳化硅和橫向 GaN 無法提供的更大改進。650 伏是當今更大的市場，預(yù)計將以 20% 的復(fù)合年增長率增長。1200 伏產(chǎn)品細分市場預(yù)計將以 63% 的復(fù)合年增長率更快地增長，并將在本十年的下半葉成為更大的市場。

根據(jù)收集市場統(tǒng)計數(shù)據(jù)的法國公司 Yole 的數(shù)據(jù)，到 2027 年，650 和 1200 伏電力設(shè)備市場預(yù)計將增長到約 50 億美元，復(fù)合年增長率為 40%。

IMEC的1200V氮化鎵

比利時的研究實驗室 imec 在 200 毫米晶圓上展示了突破性的氮化鎵 (GaN) 工藝，該工藝首次可以在高功率 1200V 設(shè)計中采用碳化硅 (SiC)。

與 Aixtron 的設(shè)備合作，imec 已經(jīng)證明了 GaN 緩沖層的外延生長，可用于 200mm QST 襯底上的 1200V 橫向晶體管應(yīng)用，硬擊穿電壓超過 1800V。

愛思強 G5+ C 全自動金屬有機化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 反應(yīng)器在 imec 獲得成功認證，用于集成優(yōu)化的材料外延堆疊。該實驗室之前演示了合格的增強模式高電子遷移率晶體管 (HEMT) 和肖特基二極管功率器件，已針對 100V、200V 和 650V 工作電壓范圍進行了演示，為大批量制造應(yīng)用鋪平了道路。

然而，要實現(xiàn)高于 650V 的工作電壓受到了在 200mm 晶圓上生長足夠厚的 GaN 緩沖層的難度的挑戰(zhàn)。因此，迄今為止，SiC 一直是 650-1200V 應(yīng)用的首選寬帶半導(dǎo)體，尤其是電動汽車和可再生能源中的逆變器。

“GaN 現(xiàn)在可以成為從 20V 到 1200V 的整個工作電壓范圍的首選技術(shù)。與本質(zhì)上昂貴的基于 SiC 的技術(shù)相比，基于 GaN 的功率技術(shù)可在高通量 CMOS 晶圓廠的較大晶圓上加工，具有顯著的成本優(yōu)勢，”imec 高級業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理 Denis Marcon 說。

高擊穿電壓的關(guān)鍵在于對復(fù)雜外延材料堆棧的精心設(shè)計，并結(jié)合使用在 IIAP 計劃中與 Qromis 一起開發(fā)的 200 毫米 QST 基板。這些晶圓的熱膨脹與 GaN/AlGaN 外延層的熱膨脹非常匹配，為更高電壓操作的更厚緩沖層鋪平了道路。

“將 imec 的 1200V GaN-on-QST 外延技術(shù)成功開發(fā)到 Aixtron 的 MOCVD 反應(yīng)器中是我們與 imec 合作的下一步，”Aixtron 首席執(zhí)行官兼總裁 Felix Grawert 博士說?！霸?imec 的設(shè)施中安裝 G5+C 后，imec 專有的 200 毫米 GaN-on-Si 材料技術(shù)在大批量制造平臺上獲得了認證，目標是高壓電源開關(guān)和射頻應(yīng)用，使我們的客戶能夠?qū)崿F(xiàn)快速通過預(yù)先驗證的可用 Epi-recipes 提高產(chǎn)量。憑借這一新成就，我們將能夠共同開拓新市場?！?/p>

正在處理橫向 e-mode 設(shè)備以證明設(shè)備在 1200V 下的性能，并且正在努力將該技術(shù)擴展到更高電壓的應(yīng)用。除此之外，imec 還在探索在 200mm GaN-on-QST 晶圓上構(gòu)建垂直 GaN 器件，以進一步擴展基于 GaN 的技術(shù)的電壓和電流范圍。

博世為汽車開發(fā) 1200V GaN 工藝

博世正在開發(fā)一種在歐洲生產(chǎn)的，用于汽車的 1200V 氮化鎵技術(shù)，該技術(shù)將與其碳化硅 (SiC) 器件并列。

這是計劃到 2026 年在其半導(dǎo)體部門投資 30 億歐元的計劃的一部分，這是擬議的歐洲微電子和通信技術(shù) IPCEI 計劃的一部分。歐洲、中國和美國有幾個項目正在開發(fā) 1200V GaN 器件。

自 2021 年底以來，博世羅伊特林根工廠一直在大規(guī)模生產(chǎn)用于電動和混合動力汽車的碳化硅 (SiC) 芯片，它們已經(jīng)幫助將運行范圍提高了 6%。

由于年增長率達到 30% 或更高，對 SiC 芯片的需求仍然很高，這意味著博世的訂單已滿。為了使這些電力電子產(chǎn)品更實惠、更高效，并解決短缺問題，博世也在探索使用其他類型的芯片。

博世管理委員會主席 Stefan Hartung 表示：“我們還在研究開發(fā)用于電動汽車應(yīng)用的基于氮化鎵的芯片?！?“這些芯片已經(jīng)在筆記本電腦和智能手機充電器中找到了?！?/p>

博世表示，在將它們用于車輛之前，它們必須變得更加堅固，并且能夠承受高達 1200 伏的更高電壓?！跋襁@樣的挑戰(zhàn)都是博世工程師工作的一部分。我們的優(yōu)勢在于我們已經(jīng)熟悉微電子很長時間了——而且我們對汽車也很熟悉?！?/p>

該計劃還包括在羅伊特林根和德累斯頓建造兩個新的開發(fā)中心，總成本超過 1.7 億歐元。此外，該公司將在未來一年斥資 2.5 億歐元，在其位于德累斯頓的晶圓廠新建一個 3,000 平方米的潔凈室空間?！拔覀冋跒榘雽?dǎo)體需求的持續(xù)增長做準備——也是為了我們客戶的利益，”Hartung 說?！皩ξ覀儊碚f，這些微型組件意味著大生意?！?/p>

來源：深圳市賽姆烯金科技 、半導(dǎo)體行業(yè)觀察、半導(dǎo)體在線