垂直GaN功率器件彻底改变功率半导体

使用GaN（氮化镓）的功率半导体作为节能/低碳社会的关键器件而受到关注。两家日本公司联手创造了一项新技术，解决了导致其全面推广的问题。OKI 和 Shin-Etsu Chemical 开发了一项新技术，可以以比传统技术低 90% 的成本制造“垂直 GaN”功率器件。

在2023年10月5日联合举行的新闻发布会上，两家公司谈论了该技术的细节、其发展历史以及未来前景。

下一代功率半导体市场前景和GaN挑战

根据富士经济的《2023年下一代功率器件和电力电子相关设备市场的现状和未来》，超越传统硅功率半导体的耐压和低损耗极限的下一代功率半导体的全球市场预计将增长，2035年预计将比2022年增长31.1倍，达到54,485亿日元。目前投入实用的下一代功率半导体是SiC（碳化硅）和GaN，而在推动市场扩大的汽车领域，能够处理高电压和大电流的SiC是主流。因此，GaN主要应用于消费领域，包括移动快速充电器。

目前主流的GaN功率器件是硅基GaN和蓝宝石基GaN器件，它们是在硅或蓝宝石衬底上异质外延生长GaN制成的。这些虽然可以以相对较低的成本获得GaN的高频特性，但它们与GaN层之间需要有绝缘缓冲层，而蓝宝石本身是绝缘体，所以无法垂直导通，但在高频时不适合。为了支持高电压/大电流，需要能够垂直导电的“垂直GaN”，例如GaN on GaN，即在GaN衬底上生长GaN层，但目前GaN晶圆价格昂贵，尺寸仅为2至4英寸左右。尺寸，还有成本问题，比如直径小。

两家公司开发的新技术采用OKI开发的“CFB（晶体薄膜接合）技术”来剥离“QST基板”上生长的单晶GaN，“QST基板”是信越化学专门针对GaN专门改进的复合材料基板生长，粘合到不同的材料基材上。这使得能够以低成本同时实现垂直GaN导电性和大直径晶圆，并“有助于垂直GaN功率器件在社会上的实现和普及。” 两家公司于 2023 年 9 月宣布了这项技术，并在 10 月 5 日的新闻发布会上，两家公司的代表解释了细节和未来前景。

信越化学的QST基材是什么？

对于信越化学的QST基板，该公司异质半导体基板推进室(HSSI)主任Masato Yamada解释了其特点和商业模式。

QST基板是专门为GaN外延生长而开发的复合材料基板，信越化学于2019年获得美国Qromis的许可。该公司销售 QST 衬底，并为在相同衬底上外延生长的产品提供服务。

QST 基板以“CTE 匹配核心”为中心，该核心是一个陶瓷（主要是氮化铝）核心，其热膨胀系数与 GaN 匹配，周围是多个工程层和一个 BOX 层。电影）等 此外，表面层由用作GaN种子衬底的硅(111)晶体构成。从厚度来看，CTE匹配核心占据了大部分层，厚度约为700μm，其余为极薄层，总厚度约为2μm。

低成本高品质厚膜GaN，QST衬底特点

对于在传统硅衬底上形成GaN的硅基GaN来说，硅和GaN的热膨胀系数显着不同，导致由于拉应力而导致较大的翘曲。QST衬底具有与GaN相匹配的热膨胀系数，可以减少翘曲并抑制裂纹，从而可以外延生长大直径、高质量的厚膜GaN。据山田先生介绍，该公司已经实现了20μm以上的高质量GaN外延生长。山田先生解释说：“通过使用多种技术，我们已经实现了约 5 x 106 的缺陷密度。换句话说，可以将缺陷密度降低到普通硅基 GaN 的约 1/1000。”

此外，由于热膨胀系数与GaN的热膨胀系数相匹配，因此还可以简化缓冲层。如下图所示，在生长6μm GaN层的情况下，使用硅衬底时，GaN层的厚度可以在一半的生长时间内大约增加一倍。山田先生表示：“可以提高外延设备的产量并降低成本。”

此外，在硅基GaN的情况下，需要较厚的衬底来抑制翘曲（对于6μm的GaN生长，需要1mm或以上的厚度），并且使用专门设计的半导体器件。尺寸可与符合SEMI和JEITA标准的基板厚度一起使用，因此无需修改或改进设备，并且“可以按原样使用一般硅工艺”。此外，QST基板具有陶瓷芯，直径可以做得更大，信越化学已经拥有最大8英寸的产品阵容。山田先生表示：“我们的 8 英寸 QST 衬底的成本与 2 英寸 GaN 衬底的成本大致相同。换句话说，在使用 QST 衬底制造器件时，您可以一次制造大约 16 倍的器件，这显着降低成本。“降低成本是可能的。” 该公司还正在开发 300 毫米（12 英寸）QST 基板，并计划于 2024 年开始提供样品。

QST衬底的其他特点包括它已经被用于各种GaN器件中，并且与OKI的CFB技术高度兼容。

一个将改变行业力量平衡的突破

OKI的CFB技术由OKI创新业务开发中心CFB开发部设备应用团队经理谷川健一进行了讲解。

CFB技术是OKI的专有技术，可从各种基材上剥离功能层，并利用分子间力将其粘合到不同材料制成的基材上。它最初是为了减小公司打印机中安装的打印头 LED 阵列的尺寸和成本而开发的。具体而言，将由化合物半导体制成的LED晶体薄膜剥离并直接粘合到由硅制成的驱动IC上。

据该公司介绍，CFB技术于2006年投入实际应用，在其打印机业务中出货量已达1000亿点，但迄今为止其使用仅限于自有产品。与此同时，在2022年7月左右，他偶然发现了信越化学的QST衬底上的GaN，这导致了结合QST衬底和CFB技术的新技术的开发。OKI 创新业务开发中心 CFB 开发经理 Takato Suzuki 表示：“我们听到这个故事的那一刻，立即确信两家公司联合开发的技术将成为一项突破，彻底改变功率半导体行业。”

“基材可回收”新技术详情

两家公司宣布的新技术涉及在 QST 衬底上生长 GaN 层，然后仅剥离 GaN 功能层并将其沉积在各种其他衬底上以创建“欧姆接触”（根据欧姆定律的线性电流）它们通过金属层（例如钛铝）进行粘合，从而实现电粘合（具有电压曲线）。此时，还可以去除缓冲层和硅(111)，从而可以实现垂直导通。如上所述，8英寸QST衬底与2英寸GaN衬底的价格大致相同，因此采用新技术制造垂直GaN功率器件将比传统GaN on GaN功率器件成本更低，该公司声称可以将这一数字减少到十分之一以下。

此外，即使使用CFB技术去除GaN功能层后，QST衬底也可以通过一定的处理重新用作QST衬底，尽管它不会保持完整。目前正在开发回收该板的技术，他表示希望如果实现重复利用，将有可能进一步降低成本。

CFB技术可以粘合到各种基材上，只要它们具有与半导体晶圆相当的表面平整度。具体而言，除了硅以外，还可以与SiC、GaN、GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)等化合物半导体硅片、玻璃硅片等基板接合。

OKI的CFB技术目前与6英寸显示器兼容。在本次发布会上，他们推出了将GaN功能层粘合到整个6英寸晶圆上的实际产品。谷川先生表示，虽然成品率仍然较低，但他说：“（CFB技术流程）涉及剥离、运输和粘贴，但最困难的部分是剥离部分。设计需要吸收内部的变化。” “但是，如果我们将这种剥离方法发挥到极致，就有可能使其适应大规模生产。” 该公司还解释说，他们正在“准备支持 8 英寸，目标是在 2025 年开始研发”。关于可支持的 GaN 层厚度，该公司表示，“目前，我们的记录厚度可达 7 μm。” 要实现 1800V 或更高的高击穿电压，需要约 20 μm 的厚度，但该公司表示，“我们相信通过未来的开发可以实现这一点。”

在比较使用 QST×CFB 技术实现的垂直 GaN 功率器件和 GaN on GaN 器件的特性时，据说“从缺陷密度来看，我们的（基于 QST×CFB 技术的器件）约为5×10 6 ，而缺陷密度约为5×10 4 。因此，虽然目前无法匹配特性，但在成本方面具有很大优势。此外，根据未来的发展，缺陷密度也将在 5 × 105

商业模式

两家公司还解释了使用QST x CFB技术的垂直GaN功率器件制造工艺的商业模式。具体来说，我们设想两种类型：“CFB 前”和“CFB 后”。

在 Pre CFB 中，OKI 使用 CFB 技术在器件预处理之前从 QST 衬底上剥离 GaN 功能层。此外，它是一种将器件粘合到器件制造商指定的基板上之后提供器件的商业模式。器件制造商使用这些衬底来制造 GaN HEMT/MOSEFT 器件。Post CFB是一种商业模式，其中器件制造商首先在信越化学提供的QST基板上形成器件，然后OKI使用CFB将功能层转移到另一个基板上。Tanikawa 先生解释说：“Pre CFB 可以从头开始，而 Post CFB 可以按原样使用现有架构。后者可能会更快启动。”

谷川先生还评论了这项新技术，他说：“它与所有 GaN 器件兼容，包括垂直 GaN 功率器件以及水平功率器件和 LED。我们希望改进这项技术，并与器件制造商一起展示它”他说。

未来的计划和展望

OKI 预计将于 2024 年开始向客户推出该技术。关于批量生产的开始日期，他表示，“我们正在考虑从小规模开始，从 2026 年左右开始。” 初期阶段，该公司计划在自己的半导体工厂处理这一问题，并计划推进准备工作，以在 2025 年左右实现 8 英寸的支持。此外，如果未来市场真正扩大，OKI将能够提供薄膜状材料的产品，客户可以在其上附加功能层，之后，只要他们拥有安装设备，他们可以在不同的地点使用它。该公司还在考虑开发横向分工业务，以实现连接。

另一方面，据说信越化学正在进行投资，到 2024 年将 QST 基板的产能翻一番。山田先生还提到了采取进一步措施的可能性，他说：“如果这项技术在未来得到普及，我认为我们目前的水平还不够。” 对于300mm QST基板的开发现状，“300mm晶圆所要求的平坦度高于6英寸或8英寸晶圆，而要实现这一点，就需要提高陶瓷芯的平坦度。这不是问题”。更长的延伸 6 或 8 英寸，我们正在寻找进一步改进它的解决方案。” 关于垂直器件结晶度的进一步改进，他说：“有很多想法，我相信随着时间的推移，我们可以做出重大改进。”

审核编辑：刘清