三菱電機(jī)入局氧化鎵，加速氧化鎵功率器件走向商用

三菱電機(jī)公司近日宣布，它已入股Novel Crystal Technology, Inc.——一家開發(fā)和銷售氧化鎵晶圓的日本公司，氧化鎵晶圓是一個(gè)很有前途的候選者。三菱電機(jī)打算加快開發(fā)優(yōu)質(zhì)節(jié)能功率半導(dǎo)體，以支持全球脫碳。

近年來，隨著實(shí)現(xiàn)碳中和的運(yùn)動(dòng)加速，對有助于提高電力效率的功率半導(dǎo)體需求不斷增加。除了傳統(tǒng)硅材料，第三代半導(dǎo)體碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)的應(yīng)用也方興未艾。氧化鎵以其優(yōu)勢性能被行業(yè)廣泛研究。

在寬能隙半導(dǎo)體材料中，氧化鎵具備許多優(yōu)異特性，如：電子飄移飽和速度快、介電常數(shù)小、極高崩潰電壓、熱穩(wěn)定性好且耐高溫，因此，逐漸成為下一世代重要、且最具潛力寬能隙半導(dǎo)體系列材料，晶圓價(jià)格比碳化矽硅晶圓低，而且可以更加高效地控制電力，未來一旦價(jià)格來到甜蜜點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車及太陽能系統(tǒng)，大幅提升能源效率。

三菱電機(jī)以實(shí)現(xiàn)無碳社會(huì)為目標(biāo)，已將使用Si和SiC的功率半導(dǎo)體產(chǎn)品商業(yè)化，為電力電子設(shè)備的節(jié)能做出了貢獻(xiàn)。該公司致力于將氧化鎵作為材料，以實(shí)現(xiàn)更高耐壓和更低功率損耗的功率半導(dǎo)體產(chǎn)品。

Novel Crystal Technology擁有在世界范圍內(nèi)較早開始功率半導(dǎo)體用氧化鎵晶圓開發(fā)、制造和銷售的記錄。公司目前的業(yè)務(wù)范圍為氧化鎵襯底的制造和銷售。未來三菱電機(jī)將把多年培育的低功率損耗、高可靠性功率半導(dǎo)體產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造技術(shù)與Novel Crystal Technology的氧化鎵晶圓制造技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)卓越的能源效率，并加速氧化鎵功率半導(dǎo)體的開發(fā)應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)脫碳社會(huì)做出貢獻(xiàn)。

目前，三菱電機(jī)通過生產(chǎn)硅和碳化硅 (SiC) 半導(dǎo)體，為電力電子產(chǎn)品的節(jié)能做出了貢獻(xiàn)。碳化硅和氮化鎵晶圓最近取得了進(jìn)展，但氧化鎵晶圓預(yù)計(jì)將有助于實(shí)現(xiàn)更高的擊穿電壓和更低的功耗。三菱電機(jī)現(xiàn)在期望通過將其在低能量損耗、高可靠性功率半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)和制造方面的專業(yè)知識與Novel Crystal Technology在鎵生產(chǎn)方面的專業(yè)知識相結(jié)合，加速其卓越節(jié)能氧化鎵功率半導(dǎo)體的開發(fā)-氧化物晶片。

?氧化鎵商業(yè)化，邁出重要一步?

日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）4月6日宣布，作為NEDO推動(dòng)的“戰(zhàn)略節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃”的一部分，Novel Crystal Technology正在致力于β-Ga2O3肖特基勢壘二極管的商業(yè)化開發(fā)。宣布已成功確認(rèn)氧化鎵 (β-Ga2O3) 肖特基勢壘二極管 (SBD)的運(yùn)行。

氧化鎵有望成為超越SiC和GaN性能的材料，有望成為下一代功率半導(dǎo)體，日本和海外正在進(jìn)行研究和開發(fā)。在這種情況下，Novel Crystal Technology將β-Ga2O3肖特基勢壘二極管商業(yè)化項(xiàng)目上致力于商業(yè)化本產(chǎn)品的開發(fā)，這次，他們決定將正在開發(fā)的β-Ga2O3 SBD安裝在電流連續(xù)型PFC（功率因數(shù)校正）電路中，并對其進(jìn)行實(shí)際使用評估。

具體地，在350W輸出電源的PFC電路中安裝了β-Ga2O3 SBD，進(jìn)行了連續(xù)電流工作的演示測試。結(jié)果反向加了390V的電壓，此后，當(dāng)電壓從反向切換到正向時(shí)，電流流過二極管正向時(shí)的電流波形就變成了梯形波最大8A。據(jù)說電流連續(xù)運(yùn)行得到確認(rèn)。在測試中，他們 還檢查了反向恢復(fù)特性，并將電路的輸出功率與輸入功率之比（功率轉(zhuǎn)換效率）與廣泛用于相同目的的硅快速恢復(fù)二極管（Si FRD）進(jìn)行了比較。經(jīng)證實(shí)，與 Si FRD 相比，β-Ga2O3 SBD 的效率提高了 1%。

Novel Crystal Technology正在著手建立新開發(fā)的該公司還計(jì)劃開發(fā)β-Ga2O3 SBD 。此外，將利用該開發(fā)成果進(jìn)行反型MOS晶體管的研究和開發(fā)。

?成功量產(chǎn)4吋氧化鎵晶圓?

Novel Crystal Technology背景來頭不小，由日本電子零部件企業(yè)田村制作所和AGC等出資成立，2017年與田村制作所合作成功開發(fā)出全球首創(chuàng)氧化鎵MOS型功率電晶體，大幅降低功耗，僅為傳統(tǒng)MOSFET千分之一；2019年更開發(fā)出2吋β型氧化鎵晶圓，不過，由于制造成本高昂，未能被廣泛應(yīng)用，僅限于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)。

在2021年，日本半導(dǎo)體企業(yè)Novel Crystal Technology成功量產(chǎn)4吋氧化鎵晶圓，并于今年開始供應(yīng)客戶晶圓，使得日本在第三代化合物半導(dǎo)體競賽中再度拔得頭籌。該報(bào)導(dǎo)指出，該公司成功量產(chǎn)新一代功率半導(dǎo)體材料氧化鎵制成的4吋晶圓，成為全球首家完成量產(chǎn)企業(yè)，而且該晶圓可以使用原有4吋晶圓設(shè)備制造生產(chǎn)，有效運(yùn)用過去投資的老設(shè)備，對于企業(yè)資本支出更有效率，預(yù)計(jì)2021年內(nèi)開始供應(yīng)晶圓。此外，Novel Crystal Technology還計(jì)畫在2023年供應(yīng)6吋晶圓，屆時(shí)又將是劃時(shí)代突破。

到了去年，據(jù)日本媒體報(bào)道，Novel Crystal Technology計(jì)劃投資約為20億日元，向其公司工廠添加設(shè)備，到 2025 年，建成年產(chǎn) 20,000 片 100mm（4 英寸）氧化鎵 (Ga2O3) 晶圓生產(chǎn)線。

除了制造和加工氧化鎵單晶基板的設(shè)備和檢查設(shè)備外，Novel Crystal Technology還將引進(jìn)用于在晶圓上外延生長氧化鎵的成膜設(shè)備，并計(jì)劃開發(fā)一種可以同時(shí)沉積多個(gè)晶圓的新設(shè)備。

與由硅制成的傳統(tǒng)半導(dǎo)體相比，氧化鎵半導(dǎo)體可以實(shí)現(xiàn)器件的功耗降低和高耐壓。其特點(diǎn)是能夠通過熔融法生長塊狀單晶并有效地制造晶體基板。與正在投入實(shí)際應(yīng)用的碳化硅（SiC）等下一代材料相比，晶體生長速度快了約100倍，基板更容易制造，從而顯著降低了成本。

成功開發(fā)出高質(zhì)量第3代氧化鎵?

擁有比GaN、SiC更大能隙(Bandgap)的氧化鎵(β-Ga2O3)可望成為次世代功率半導(dǎo)體材料。目前Novell Crystal Technology已經(jīng)開發(fā)出能夠形成100 mm之氧化鎵磊晶晶圓的成膜裝置，并展開了第二代氧化鎵100 mm磊晶晶圓的制造與銷售。但由于促使元件耐壓特性劣化的致命缺陷大約有10個(gè)/cm2，因此無法制作大型元件，電流值限制在10A左右。

去年四月，日本半導(dǎo)體企業(yè)Novel Crystal Technology發(fā)表與佐賀大學(xué)共同開發(fā)了一項(xiàng)相較于既有制品，致命缺陷減少至10分之1之第3代氧化鎵100 mm磊晶晶圓(Epitaxial Wafer)。

此次則進(jìn)一步調(diào)查致命缺陷的原因，著手展開晶圓高質(zhì)量化的研究。結(jié)果顯示，造成致命缺陷的原因主要是在磊晶成膜過程中產(chǎn)生的特定粉末。研究團(tuán)隊(duì)透過改善磊晶成膜條件，成功地將100 mm磊晶晶圓的致命缺陷降低至10分之1，減少到0.7個(gè)/cm2。

研究團(tuán)隊(duì)也實(shí)際進(jìn)行了磊晶晶圓的膜厚分布與施體濃度(Donor Concentration)的測量，確認(rèn)膜厚分布約為10 μm ± 5%、施體濃度則是1×10^16?cm-3 ± 7%左右，達(dá)到應(yīng)用于功率元件也不會(huì)造成問題的水平。另外試作了10×10 mm的肖特基二極管(SBD)，并就其電氣特性與致命缺陷密度進(jìn)行評估，在正向特性方面，電流從0.8V左右開始流動(dòng)并上升至一定程度，確認(rèn)具有正常的正向特性。

此外，由于測量設(shè)備的上限，最大電流值僅調(diào)查到50A，但研究團(tuán)隊(duì)表示最大可以流通300～500A。而在反向特性方面，確認(rèn)即使施加約200V，漏電流仍可抑制在約10^(-7)A左右。今后透過在元件上設(shè)置電極終端結(jié)構(gòu)，推估可以實(shí)現(xiàn)600～1,200V的耐壓。

此項(xiàng)肖特基二極管試作品的反向特性良率為51%，根據(jù)此項(xiàng)數(shù)值與實(shí)證中使用的電極尺寸推算出致命缺陷密度約為0.7個(gè)/cm2。此項(xiàng)結(jié)果也意味著將可以80%左右的良率進(jìn)行100A級氧化鎵功率元件的制造。

目前Novel Crystal Technology也已著手進(jìn)行第3代氧化鎵100mm磊晶晶圓產(chǎn)線的建置，希望盡早展開銷售，今后則計(jì)劃擴(kuò)大施體濃度與膜厚指定范圍，并致力于致命缺陷的減少與大口徑化的研究開發(fā)。

另外，在新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)總合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)的推動(dòng)事業(yè)方面，目前也已成功地進(jìn)行了導(dǎo)入溝槽結(jié)構(gòu)(Trench Structure)之耐壓1,200V、低功耗氧化鎵肖特基二極管的實(shí)證。今后計(jì)劃利用此次開發(fā)的晶圓，近一步推動(dòng)1,200V耐壓溝槽型肖特基二極管的量產(chǎn)技術(shù)開發(fā)。

審核編輯：劉清