他們用1200V氮化鎵，挑戰(zhàn)SiC

Odyssey Semiconductor Technologies 正在美國(guó)制造工作電壓為 650V 和 1200V 的垂直氮化鎵 (GaN) FET 晶體管樣品。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(gè)客戶(hù)的承諾，以評(píng)估這些第一代產(chǎn)品樣品。它正在研究產(chǎn)品樣品的進(jìn)一步客戶(hù)參與。

“Odyssey 實(shí)現(xiàn) 1200 伏垂直 GaN 功率器件這一里程碑的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過(guò)，”O(jiān)dyssey 首席執(zhí)行官 Mark Davidson 說(shuō)?！拔覀冋趶墓に嚭筒牧涎邪l(fā)到以橫向 GaN 實(shí)際無(wú)法達(dá)到的電壓提供產(chǎn)品，而經(jīng)濟(jì)性硅和碳化硅無(wú)法達(dá)到。對(duì)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(cè)試結(jié)構(gòu)。我們正在構(gòu)建客戶(hù)需要的產(chǎn)品樣品。隨著客戶(hù)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(dú)特的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)組合來(lái)保護(hù)它。通過(guò)我們?cè)诩~約伊薩卡的自己的鑄造廠(chǎng)，我們可以快速創(chuàng)新并控制我們向客戶(hù)供應(yīng)產(chǎn)品的能力，”他說(shuō)。

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

圖片來(lái)源：拍信網(wǎng)正版圖庫(kù)

一、imec的沖拳出擊

比利時(shí)的研究實(shí)驗(yàn)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(jì)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(zhǎng)，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(guò) 1800V。

愛(ài)思強(qiáng) G5+ C 全自動(dòng)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 反應(yīng)器在 imec 獲得成功認(rèn)證，用于集成優(yōu)化的材料外延堆疊。該實(shí)驗(yàn)室之前演示了合格的增強(qiáng)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(duì) 100V、200V 和 650V 工作電壓范圍進(jìn)行了演示，為大批量制造應(yīng)用鋪平了道路。

然而，要實(shí)現(xiàn)高于 650V 的工作電壓受到了在 200mm 晶圓上生長(zhǎng)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(dòng)汽車(chē)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(gè)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(chǎng)的較大晶圓上加工，具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)，”imec 高級(jí)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理 Denis Marcon 說(shuō)。

高擊穿電壓的關(guān)鍵在于對(duì)復(fù)雜外延材料堆棧的精心設(shè)計(jì)，并結(jié)合使用在 IIAP 計(jì)劃中與 Qromis 一起開(kāi)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(kāi)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(shuō)?！霸?imec 的設(shè)施中安裝 G5+C 后，imec 專(zhuān)有的 200 毫米 GaN-on-Si 材料技術(shù)在大批量制造平臺(tái)上獲得了認(rèn)證，目標(biāo)是高壓電源開(kāi)關(guān)和射頻應(yīng)用，使我們的客戶(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)快速通過(guò)預(yù)先驗(yàn)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(kāi)拓新市場(chǎng)?！?/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(kuò)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(jìn)一步擴(kuò)展基于 GaN 的技術(shù)的電壓和電流范圍。

二、博世的躍躍欲試

博世也正在開(kāi)發(fā)一種在歐洲生產(chǎn)的，用于汽車(chē)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(jì)劃到 2026 年在其半導(dǎo)體部門(mén)投資 30 億歐元的計(jì)劃的一部分，這是擬議的歐洲微電子和通信技術(shù) IPCEI 計(jì)劃的一部分。歐洲、中國(guó)和美國(guó)有幾個(gè)項(xiàng)目正在開(kāi)發(fā) 1200V GaN 器件。

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

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

博世管理委員會(huì)主席 Stefan Hartung 表示：“我們還在研究開(kāi)發(fā)用于電動(dòng)汽車(chē)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(jī)充電器中找到了。”

博世表示，在將它們用于車(chē)輛之前，它們必須變得更加堅(jiān)固，并且能夠承受高達(dá) 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(shì)在于我們已經(jīng)熟悉微電子很長(zhǎng)時(shí)間了——而且我們對(duì)汽車(chē)也很熟悉?！?/p>

該計(jì)劃還包括在羅伊特林根和德累斯頓建造兩個(gè)新的開(kāi)發(fā)中心，總成本超過(guò) 1.7 億歐元。此外，該公司將在未來(lái)一年斥資 2.5 億歐元，在其位于德累斯頓的晶圓廠(chǎng)新建一個(gè) 3,000 平方米的潔凈室空間。“我們正在為半導(dǎo)體需求的持續(xù)增長(zhǎng)做準(zhǔn)備——也是為了我們客戶(hù)的利益，”Hartung 說(shuō)。“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，這些微型組件意味著大生意?！?/p>

三、歐洲財(cái)團(tuán)的雄心

在早前舉辦的全球最大的電力電子展 PCIM Europe 2023上，旨在以類(lèi)似硅的成本實(shí)現(xiàn)垂直 GaN（氮化鎵）功率晶體管的歐洲財(cái)團(tuán) YESvGaN 介紹了其方案。

YESvGaN 是一項(xiàng)于 2021 年啟動(dòng)的歐洲研究項(xiàng)目，旨在通過(guò)展示一種新型垂直 GaN 功率晶體管來(lái)解決這些問(wèn)題，該晶體管以與硅相當(dāng)?shù)某杀緦?shí)現(xiàn)垂直 WGB 晶體管的性能。YESvGaN 聯(lián)盟總部位于七個(gè)國(guó)家，包括羅伯特博世、意法半導(dǎo)體、Soitec、Siltronic、AIXTRON、X-FAB、德國(guó)研究機(jī)構(gòu) Fraunhofer IISB、費(fèi)迪南德布勞恩研究所、比利時(shí)根特大學(xué)和德國(guó)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(jì)劃“ECSEL JU”和歐洲國(guó)家資助。

之所以不能采用GaN on Silicon（在硅襯底上生長(zhǎng)GaN），首先是因?yàn)樗枰^緣緩沖層。藍(lán)寶石本身也是絕緣體。因此，該項(xiàng)目正在著手開(kāi)發(fā)一種“垂直 GaN 薄膜晶體管”，它在 GaN 生長(zhǎng)后去除器件區(qū)域正下方的緩沖層、硅和藍(lán)寶石襯底本身，并從背面直接連接到 GaN 層金屬觸點(diǎn)。目標(biāo)是使用最大300mm的硅或藍(lán)寶石晶圓實(shí)現(xiàn)耐壓為650～1200V級(jí)的縱型GaN功率晶體管。據(jù)稱(chēng)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(jìn)行研究以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

為實(shí)現(xiàn) 650-1200V 級(jí)，在硅/藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)厚漂移層外延生長(zhǎng)達(dá) 300mm 的技術(shù)開(kāi)發(fā)；

最大1200V/100A導(dǎo)通電阻4mΩcm2垂直GaN功率晶體管的開(kāi)發(fā)及與硅IGBT成本相同的工藝技術(shù)；
先進(jìn)的鍵合和剝離技術(shù)可通過(guò)干法蝕刻去除硅襯底和緩沖層，通過(guò)激光剝離和背面功率金屬化實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石襯底剝離和歐姆接觸形成；
開(kāi)發(fā)功率晶體管組裝和互連技術(shù)開(kāi)發(fā)，相應(yīng)的可靠性表征；
為開(kāi)發(fā)的功率晶體管創(chuàng)建數(shù)據(jù)表并在多個(gè)應(yīng)用演示機(jī)中演示系統(tǒng)效率改進(jìn)；

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(jì)劃。在羅伯特·博世展臺(tái)的一角，項(xiàng)目協(xié)調(diào)員克里斯蒂安·胡貝爾負(fù)責(zé)。

展位上，在硅和藍(lán)寶石上生長(zhǎng)了二極管擊穿電壓超過(guò)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(jìn)展情況每一步，包括無(wú)缺陷形成和帶有肖特基二極管的垂直器件的演示實(shí)驗(yàn)。展出的還有實(shí)際上從 GaN 器件區(qū)域去除了硅的晶圓。

Huber 先生說(shuō)：“目前，最終的晶體管尚未完成。此外，我們正在進(jìn)行研究，目的是證明這項(xiàng)技術(shù)是否可以實(shí)現(xiàn)。我們預(yù)計(jì)這將加速量產(chǎn)。垂直GaN。（文：半導(dǎo)體行業(yè)觀(guān)察）

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