日本企業(yè)OKI于2023年9月5日宣布，與信越化學(xué)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)信越化學(xué)）聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)新技術(shù)，該技術(shù)將導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)低成本垂直GaN（氮化鎵）功率器件。該技術(shù)僅從“QST基板”（一種專(zhuān)用于GaN生長(zhǎng)的復(fù)合材料基板）上剝離GaN功能層，并將其粘合到不同材料的基板上。如果采用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)垂直GaN功率器件，與現(xiàn)有技術(shù)相比，將有可能將成本降低至十分之一左右。

GaN因其特性，作為高性能功率半導(dǎo)體材料而備受關(guān)注，近年來(lái)其開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)導(dǎo)入不斷加速。GaN功率器件有兩種類(lèi)型：水平型（在硅晶圓上生長(zhǎng)GaN晶體）和垂直型（原樣使用GaN襯底）。使用硅片的臥式類(lèi)型可以以相對(duì)較低的成本獲得GaN的高頻特性，但在需要超過(guò)650V的高擊穿電壓時(shí)不適合。另一方面，垂直型比水平型更適合高電壓和大電流，但存在成本問(wèn)題，例如GaN晶圓價(jià)格昂貴且直徑較小，約為2至4英寸。

OKI和信越化學(xué)開(kāi)發(fā)的新技術(shù)是利用OKI開(kāi)發(fā)的“CFB（晶體薄膜鍵合）技術(shù)”分離在信越化學(xué)獨(dú)特改進(jìn)的QST襯底上生長(zhǎng)的單晶GaN，并鍵合異種材料襯底。就是加入到的意思。這使得在GaN中實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電性并同時(shí)增加晶圓直徑成為可能，“有助于社會(huì)上可實(shí)施的垂直GaN功率器件的實(shí)現(xiàn)和廣泛使用。”

QST襯底是美國(guó)Qromis公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)用于GaN生長(zhǎng)的復(fù)合材料襯底，信越化學(xué)于2019年與Qromis公司簽訂了許可協(xié)議。QST基板具有與GaN相同的熱膨脹系數(shù)，可以抑制翹曲和裂紋。這一特性使得在8英寸或更大的晶圓上生長(zhǎng)高擊穿電壓的厚膜GaN晶體成為可能，解決了直徑增大的問(wèn)題。

另一方面，OKI的CFB技術(shù)可以?xún)H從QST基板上剝離GaN功能層，同時(shí)保持高器件特性。此外，GaN晶體生長(zhǎng)所需的絕緣緩沖層已被去除，各種襯底可以通過(guò)允許“歐姆接觸”（根據(jù)歐姆定律具有線性電流-電壓曲線的電連接）的金屬電極連接。它可以加入到。具體而言，除了硅以外，還可以與SiC（碳化硅）、GaN、GaAs（砷化鎵）、InP（磷化銦）等化合物半導(dǎo)體晶片、玻璃晶片等基板接合。OKI 解釋說(shuō)：“只要表面平整度與半導(dǎo)體晶圓相當(dāng)，CFB 技術(shù)就可以進(jìn)行粘合。”

兩家公司表示，通過(guò)使用這些技術(shù)將GaN層鍵合到具有高散熱性的導(dǎo)電襯底上，將有可能實(shí)現(xiàn)高散熱性和垂直導(dǎo)電性。OKI表示，“兩家公司的技術(shù)解決了兩個(gè)問(wèn)題，為垂直GaN功率器件的社會(huì)實(shí)施鋪平了道路。如果我們能夠?qū)ST襯底上的單晶GaN與CFB技術(shù)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)垂直GaN，我們假設(shè)成本可以降低到十分之一左右。”

展望未來(lái)，信越化學(xué)計(jì)劃向制造 GaN 器件的客戶(hù)提供 QST 襯底和外延襯底，OKI 將通過(guò)合作和許可提供 CFB 技術(shù)。OKI 預(yù)計(jì)將于 2024 年開(kāi)始向客戶(hù)推出該技術(shù)。

氮化鎵襯底生長(zhǎng)技術(shù)難在哪兒？

GaN半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)為：襯底→GaN材料外延→器件設(shè)計(jì)→器件制造。其中，襯底是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)。

作為襯底，GaN自然是最適合用來(lái)作為GaN外延膜生長(zhǎng)的襯底材料。同質(zhì)外延生長(zhǎng)從根本上可解決使用異質(zhì)襯底材料所遇到的晶格失配與熱失配問(wèn)題，將生長(zhǎng)過(guò)程中由于材料之間性質(zhì)差異所引起的應(yīng)力降到最低，能夠生長(zhǎng)出異質(zhì)襯底無(wú)法相比的高質(zhì)量GaN外延層。舉例來(lái)說(shuō)，以氮化鎵為襯底可以生長(zhǎng)出高質(zhì)量的氮化鎵外延片，其內(nèi)部缺陷密度可以降到以藍(lán)寶石為襯底的外延片的千分之一，可以有效的降低LED的結(jié)溫，讓單位面積亮度提升10倍以上。

但是，目前GaN器件常用的襯底材料并不是GaN單晶，主要原因就是一個(gè)字：難！相對(duì)于常規(guī)半導(dǎo)體材料，GaN單晶的生長(zhǎng)進(jìn)展緩慢，晶體難以長(zhǎng)大且成本高昂。

GaN的首次合成是在1932年，當(dāng)時(shí)是以NH3和純金屬Ga為原料合成了氮化鎵。從那之后，雖然對(duì)氮化鎵單晶材料做了許多積極的研究，可是由于GaN在常壓下無(wú)法熔化，高溫下分解為Ga和N2，在其熔點(diǎn)(2300℃)時(shí)的分解壓高達(dá)6GPa，當(dāng)前的生長(zhǎng)裝備很難在GaN熔點(diǎn)時(shí)承受如此高的壓力，因此傳統(tǒng)熔體法無(wú)法用于GaN單晶的生長(zhǎng)，所以只能選擇在其他襯底上進(jìn)行異質(zhì)外延生長(zhǎng)。當(dāng)前的GaN基器件主要基于異質(zhì)襯底(硅、碳化硅、藍(lán)寶石等)制作而成，使得GaN單晶襯底及同質(zhì)外延器件的發(fā)展落后于基于異質(zhì)外延器件的應(yīng)用。

全球氮化鎵襯底技術(shù)共13000多件專(zhuān)利，其中日本占比接近60%，可見(jiàn)日本在該領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先，一枝獨(dú)秀。國(guó)外主要生產(chǎn)商有日本住友、古河電氣和Kyma，國(guó)內(nèi)有蘇州納維、東莞中鎵和上海鎵特。日本住友2003年就在全球率先量產(chǎn)氮化鎵襯底，側(cè)重HVPE法，重點(diǎn)解決襯底缺陷、尺寸等難題。氮化鎵襯底目前以2-3英寸為主，4英寸已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用，6英寸樣本也已開(kāi)發(fā)。


國(guó)產(chǎn)生長(zhǎng)設(shè)備成功投運(yùn)

近日，國(guó)家第三代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心（蘇州）材料生長(zhǎng)與裝備平臺(tái)與企業(yè)聯(lián)合研發(fā)的首臺(tái)國(guó)產(chǎn)MOCVD設(shè)備，首爐試生長(zhǎng)成功產(chǎn)出高質(zhì)量GaN外延片。

首爐高質(zhì)量GaN外延片的成功出爐，標(biāo)志著國(guó)創(chuàng)中心（蘇州）的公共研發(fā)平臺(tái)在協(xié)助產(chǎn)業(yè)界研發(fā)新設(shè)備、開(kāi)發(fā)新技術(shù)的支撐服務(wù)能力方面，又邁進(jìn)了堅(jiān)實(shí)的一步，具有重要的里程碑意義。

該臺(tái)MOCVD設(shè)備進(jìn)一步提高了腔體的環(huán)境穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)核心部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得比傳統(tǒng)商用設(shè)備更高的氣流可調(diào)性和溫度一致性?？梢詽M(mǎn)足對(duì)外延要求更高的氮化物材料與器件（GaN基Micro-LED等）的外延生長(zhǎng)和器件開(kāi)發(fā)。

科研人員在該設(shè)備上開(kāi)展試生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，采用兩步生長(zhǎng)技術(shù)獲得GaN單晶材料外延層。第一步在襯底上生長(zhǎng)低溫緩沖層，第二步對(duì)緩沖層進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，然后進(jìn)行三維粗化和三維轉(zhuǎn)二維的合并，最終實(shí)現(xiàn)低位錯(cuò)GaN材料的平坦化生長(zhǎng)。生長(zhǎng)的外延層厚度控制在約2μm，不進(jìn)行任何摻雜，同時(shí)驗(yàn)證設(shè)備運(yùn)行的各項(xiàng)性能。


我國(guó)已掌握8英寸氧化鎵外延片生產(chǎn)方法

氮化鎵中國(guó)已經(jīng)可以生產(chǎn)了，而氧化鎵單晶熔點(diǎn)達(dá)到1820℃，高溫生長(zhǎng)過(guò)程中極易分解揮發(fā)，容易產(chǎn)生大量的氧空位，進(jìn)而造成孿晶、鑲嵌結(jié)構(gòu)、螺旋位錯(cuò)等缺陷，因而生產(chǎn)難度很大。

目前能夠制造大尺寸（6英寸）高質(zhì)量氧化鎵晶圓的方法只有導(dǎo)模法，而這種方法需要使用基于貴金屬銥的坩堝，成本非常高昂，是黃金的3倍，且坩堝易損壞還有使用次數(shù)限制。

為什么一定要使用銥坩堝呢？這就是前面所說(shuō)的氧化鎵單晶熔點(diǎn)高達(dá)1820℃，銥坩堝可以在2100～2200℃工作幾千小時(shí)，可以保持晶體的純度和穩(wěn)定性。

銥坩堝是目前能夠制造大尺寸質(zhì)量氧化鎵晶圓最常用的方法，根據(jù)中國(guó)科學(xué)院院士、浙江大學(xué)硅材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任楊德仁團(tuán)隊(duì)的說(shuō)法，日本和美國(guó)普遍采用導(dǎo)模法生產(chǎn)氧化鎵，一個(gè)4英寸的坩堝就需要5公斤的銥，可以說(shuō)貴得驚人。

而楊院士團(tuán)隊(duì)提出了一種新的工藝熔體法來(lái)生產(chǎn)氧化鎵，可以減少80%的銥用量，從而顯著降低生產(chǎn)成本，只有導(dǎo)模法的1/10。該團(tuán)隊(duì)自去年生產(chǎn)出2英寸的晶圓后，目前又取得重大突破，生產(chǎn)出了4英寸的晶圓。

與此同時(shí)，中國(guó)電科46所也取得了重大突破，今年3月已制備出高質(zhì)量的8英寸氧化鎵外延片，達(dá)到了國(guó)際最高水平。