宽禁带半导体技术的前沿发展有哪些

近年来，SiC和GaN正在成为功率半导体行业发展重点。但与此同时，行业厂商正在加紧各方面的布局，例如正在探索金刚石，氧化镓和更多发展的方向。

开发金刚石MOSFET互补功率逆变器

2023 年 12 月，Power Diamond Systems (PDS) 开始开发结合了 p 沟道金刚石 MOSFET 和 n 沟道 SiC-MOSFET/GaN-HEMT 的互补功率逆变器。通过提高晶体管的工作频率，可以使元件变得更小，并且逆变器本身可以变得更小、更轻。

逆变器是将直流电转换为交流电的电源电路。在应用设备中，为了实现节能，对小型、轻量、高效的逆变器的需求不断增加。为了实现逆变器的高速运行，已经提出使用宽带隙半导体和结合n沟道和p沟道晶体管的互补功率逆变器。

然而，使用SiC和GaN，制造性能与n沟道晶体管相当的p沟道晶体管极其困难。因此，进行金刚石半导体器件研发的PDS开发了p沟道金刚石MOSFET，其性能与n沟道晶体管相当。

这次，我们开发了一种互补型功率逆变器，将p沟道金刚石MOSFET与n沟道SiC-MOSFET/GaN-HEMT相结合，并验证了100kHz的高速运行。未来，公司计划加速与外部合作伙伴的合作，提高性能并开发逆变器模块。

PDS是一家研发所谓终极钻石功率半导体器件的初创公司，是在早稻田大学河原田浩教授的研究种子基础上成立的。金刚石半导体在各项物理性能上均具有一流的性能，特别是在散热、耐大电流/高电压、抗辐射等方面表现出色，使其成为下一代功率半导体器件材料。

此外，如果实现使用这些下一代材料的半导体功率器件/高频器件和使用它们的逆变器，下一代新器件如电动汽车快速充电系统、电动空中交通系统和高效可再生能源系统预计它将被应用于电力电子领域和空间卫星通信系统，因此被认为是一个游戏规则的改变者。

到目前为止，PDS已投资于器件集成所需元件的开发，为金刚石MOSFET的开发奠定了基础，并增加了电流容量，假设电力电子应用。在这项研究中，通过回顾垂直金刚石MOSFET的器件设计，他们成功地降低了寄生电阻，提高了集成度，稳定了大面积工艺，包括提高了成品率，并实现了最大漏极电流6.8假设我们能够实现A。

公司计划通过与国内外研究机构和企业等外部合作伙伴的合作，继续进一步加强技术和应用开发。

下一代功率半导体：金红石型氧化物半导体混晶系

之前，京都大学（Kyoto University）、东京都产业技术研究中心（Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Institute）、立命馆大学三方宣布开发出金红石型GeO2（r-GeO2） ，作为下一代功率半导体材料而受到关注。我们提出了一种新的金红石型氧化物半导体混合晶体系统（GeO2-SnO2-SiO2），并宣布我们已经通过实验证明了该系统的实用性并通过计算。

京都大学工学研究科研究生高根聪、研究生若松武、讲师金子健太郎（现任立命馆大学科学技术研究机构教授）、研究所副所长太田佑一发表了研究结果。东京都科学技术研究所，由研究人员和立命馆大学理工学院教授荒木勉领导的联合研究小组。详细信息发表在美国物理学会出版的学术期刊《物理评论材料》上，该期刊涉及材料科学及所有相关领域。

超过3.4eV的超宽带隙（UWBG）半导体，如氮化铝镓（AlGaN）、氧化镓（Ga2O3）和金刚石，具有大的介电击穿电场值，使其成为低损耗和高性能的理想选择有望成为实现耐压功率器件的下一代半导体材料。

另一方面，传统的UWBG半导体在器件开发和应用中存在一些问题，例如昂贵的衬底和难以控制pn-pn传导。近年来，r-GeO2作为一种新型的UWBG半导体备受关注。

r-GeO2受到关注的原因有以下四个优点。

必须具有与β-Ga2O3相当的大带隙 (4.7eV)

理论上预测 pn 环境传导和高电子/空穴迁移率的可能性

导热系数必须超过β-Ga2O3

可以使用廉价的方法合成块状晶体

此外，2020年有薄膜生长报道，针对功率器件应用的r-GeO2研究目前正在加速。

考虑到这一背景，研究团队决定提出GeO为中心的新型混晶体系22-SiO2-SnO2与此同时，他们决定从实验和理论上证明这种混合晶体系统的实用性。

具体来说，作为实验方法，他们使用雾化学气相沉积（雾CVD）在整个组成范围内合成了“r-Ge xSn1-xO2薄膜”，并分析了其物理性质。结果发现，晶格常数为可以通过改变成分来调节带隙。同时，确认了r-GexSn1-xO2 混晶薄膜各成分的晶格常数和带隙值与第一原理计算计算出的值和趋势相匹配假设在0≤x≤0.57(x：薄膜中的Ge组成)下表现出n型导电性。

此外，作为理论方法，利用第一性原理计算对r-GexSn1-xO2和r-GexSi1-xO2混晶进行能带排列分析。由于r-GexSn1-xO2中的Ge成分增加和r-GexSi1-xO2混晶中的Si成分增加而导致的带隙、导带和价态的行为能带表明在高Ge含量的r-GeO 2和r-GexSn1-xO2中p型掺杂的可能性，以及在r-SiO2和高Si成分中p型掺杂的可能性假设已经提出了r-GexSi1-xO2作为势垒层的有用性。

基于这项研究，研究团队预计在r-GeO2等金红石型氧化物半导体的研发方面取得进一步进展，以期将其应用于功率器件。

使用氮化铝基材料成功创建了理想的 p-n 结

名古屋大学和旭化成于12月14日宣布，他们已成功制造出在氮化铝（AlN）基材料中表现出理想特性的p-n结，该材料有望用作下一代半导体材料。

该成果是名古屋大学未来材料与系统研究所、Jun Suda 教授、Hiroshi Amano 教授和 Asahi Kasei 联合研究小组的成果。详细信息将于12月9日至13日在美国旧金山举行的IEEE主办的半导体器件国际会议IEDM2023上公布，并稍后在IEEE数字图书馆上发布。

“超宽带隙”（UWBG）半导体的带隙（禁带宽度）比目前主要的半导体材料硅（Si）和砷化镓（GaAs）大4至5倍以上，新一代半导体材料，世界范围内的研究正变得更加活跃。如果对 UWBG 半导体的研究得到发展，相信它将能够通过更高的频率来提高设备通信速度，并通过减少功率设备的损耗来进一步节省能源。然而，UWBG半导体的一个常见技术问题是难以实现作为半导体器件基础的理想p-n结。

因此，研究团队通过在高质量的AlN单晶衬底上使用化学成分（含有数%至30%的AlN的氮化镓（GaN）），开发了一种AlN基材料，它是UWBG半导体之一，通过使用一种称为分布式偏振掺杂（DPD）的方法，该方法可以在空间上改变氮化物的量（混合），研究人员旨在创建具有优异性能的基于 AlN 的 p 层和 n 层。此外，为了实现理想的DPD，需要高质量的薄膜晶体生长技术，因此该技术的研发也同时取得进展。

研究中，采用金属有机气相外延生长（MOVPE ，在高质量AlN（0001）衬底上形成未掺杂的AlN层和高浓度n型Al 0.7 Ga 0.3 N层后方法）然后，在顶部高浓度p型GaN层和底部高浓度n型Al 0.7 Ga 0.3 N层上形成电极，制造pn结二极管。

由此制造的AlN基p-n结由于电流注入而表现出理想的电流-电压特性、电压-电容特性和发光特性。特别是电流-电压特性显示出优异的耐高电压性。针对其高击穿电压特性，我们测定了其介电击穿场强，结果为7.3MV/cm，这是AlN基pn结介电击穿场强的世界最高测量值。这是传统Si半导体的约25倍，是具有优异介电击穿电场强度的宽带隙WBG半导体碳化硅（SiC）和GaN的约2倍。据称，AlN基p-n结的实现满足所有这些优良性能在世界上是前所未有的。此外，在本研究中，没有采取措施提高耐压，因此预计在未来的研究中将进一步提高相同的值。

这项研究的成果是“利用高质量的AlN单晶基板基材”、“巧妙地实现理想的DPD层形成的薄膜晶体生长技术（外延生长技术）”、“器件（ pn 这是通过结合“结型二极管（结型二极管）制造技术”而实现的。其中使用的AlN单晶基板基材是旭化成的技术，其余两项是名古屋大学与旭化成共同研究的成果。

在这项研究中，实验表明，通过使用分布式极化掺杂作为杂质掺杂的替代方案，即使在 AlN 基半导体中也可以实现良好的 p-n 结。此外，AlN材料最重要的物理性能值——介电击穿场强，经实验证明至少是传统WBG半导体的两倍。研究小组预计，这项研究结果将刺激对AlN基材料的研究，并扩大利用DPD的各种设备的研究和开发。

采用垂直布里奇曼法成功制备6英寸β型氧化镓单晶

12月25日，Novel Crystal Technology（NCT）、信州大学（Shindai）、日本产业技术综合研究所（AIST）三方宣布推出6英寸“β型氧化镓”（他们联合宣布）他们已成功制备出β-Ga2O3 单晶。

β-Ga2O3是一种优异的功率半导体材料，具有比碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）更大的带隙能量，具有实现更高性能功率器件的潜力。此外，与硅一样，可以使用“熔融生长法”以低成本制造高质量的单晶衬底。如果使用具有这些优点的β-Ga2O3功率器件能够投入实际应用，将导致家电、电动汽车、铁路车辆、工业设备、太阳能发电、风力发电等电力电子设备的损耗更低。发电等——期望很高，因为它可以降低成本。

为了降低β-Ga2O3功率器件的成本并使其广泛应用于社会，必须增大β-Ga2O3衬底的直径，并且强烈渴望更大的单晶。信州大学开发出利用VB法生长β-Ga2O3单晶的技术，并已成功生产出2英寸和4英寸的单晶。NCT继承了Shindai的这项技术，并不断开发更大的直径。因此，该公司推出了采用VB法的6英寸晶体生长装置，并尝试采用VB法生产6英寸单晶。

EFG法是传统的β-Ga2O3单晶生产技术。此法是饲养方法之一，是一种容易达到高生长率的养殖方法。然而，所得晶体为板状，需要从其上切出圆形基板，在加工过程中会产生不必要的零件，导致成本较高，而且β-Ga2O3晶体的各向异性强，这造成了问题在于晶体拉制方向受到强烈限制并且所得衬底的面取向受到限制。

相比之下，此次开发的VB法是一种生长方法，其中将装有原材料的坩埚存放在具有温度梯度的炉子中，在原材料熔化后，将坩埚下拉以使其凝固。因此，可以获得与坩埚形状相同的晶体，因此如果使用圆柱形坩埚，则可以获得圆柱形晶体，并且显着减少衬底加工过程中不需要的部分，从而可以相应地降低成本。

此外，与使用提拉法的生长方法不同，该生长方法在坩埚中使熔体凝固，因此不易受到晶体各向异性对生长平面的约束，并且可以产生多种衬底平面取向。有望能够解决EFG方法的问题。另外，与提拉法相比，可以在温度梯度较小的环境中生长，这使得可以获得更高质量的晶体，并且由于可以获得垂直于晶体生长方向的衬底，因此可以在温度梯度较小的环境中生长晶体，假设还具有有望提高面内浓度均匀性的优点。

目前，该研究团队已成功利用VB法生产出6英寸的β-Ga2O3 单晶，没有出现任何问题。确认从晶种到最终固化部分都是透明的，是单晶。此外，假设恒定直径部分(直径最宽的部分)的直径为6英寸或更大并且获得能够获得6英寸衬底的晶体，则可以生长继承了该特性的单晶。

接下来，为了比较使用EFG法和VB法生长的晶体的品质，在AIST中使用作为晶体缺陷评价方法之一的X射线形貌法来评价晶体品质。结果，证实了在EFG法基板上以高密度出现线状缺陷，而证实在VB法基板上几乎不存在线状缺陷。另外，利用VB法，在基板表面发现了看起来像网络的东西，但据说这被认为是位错网络。虽然使用 EFG 在基板表面上没有观察到网状对比度，但由于线性缺陷引起的应变场较大，因此很难看到。

基于上述观察结果，研究小组发现，与使用EFG方法制造的基板相比，使用VB方法制造的基板的晶体质量有所提高。今后，NCT将继续开发采用VB法的高品质单晶生长技术，并致力于开发利用该方法的优势之一的生长面取向的灵活性的基板。

审核编辑：黄飞