今年二月，美國公司NexGen Power Systems, Inc.宣布，將提供工程樣品和其行業(yè)最佳 700V 和 1200V NexGen Vertical GaN 半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)計(jì)劃。NexGen 的 1200V 垂直 GaN e模 Fin-jFET 是唯一在 1.4kV 額定電壓下成功展示 >1 MHz 開關(guān)的寬帶隙器件。
自 2022 年年中以來，NexGen 的垂直 GaN 半導(dǎo)體將在有限的基礎(chǔ)上向戰(zhàn)略客戶和合作伙伴提供樣品，預(yù)計(jì)將于 2023 年第三季度開始全面生產(chǎn)。
“沒有其他半導(dǎo)體器件可以與 NexGen Vertical GaN 提供的性能特征相媲美，我們非常自豪能夠成為第一家從我們位于紐約錫拉丘茲的工廠交付產(chǎn)品的公司，使用 GaN-on-GaN 技術(shù)的 700V 和 1200V 器件的生產(chǎn)樣品，”該公司首席執(zhí)行官 Shahin Sharifzadeh 說。
“簡而言之，NexGen 的半導(dǎo)體將使我們的客戶能夠開發(fā)他們無法使用的電源解決方案硅、碳化硅或硅基氮化鎵技術(shù)。雖然許多人已經(jīng)談?wù)摿藬?shù)十年，但到今年第三季度，NexGen 將交付生產(chǎn)質(zhì)量的垂直 GaN 半導(dǎo)體器件，工作電壓為 1200V，開關(guān)頻率高達(dá) 10MHz，同時能夠承受 1470V 的雪崩電壓。
隨著我們在去年取得重大制造進(jìn)步后進(jìn)入全面生產(chǎn)，我們期待看到我們的汽車、數(shù)據(jù)中心、LED 照明和工業(yè)客戶提供基本的市場變化。
用1200V氮化鎵挑戰(zhàn)SiC？他們在路上
Odyssey Semiconductor Technologies 正在美國制造工作電壓為 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。
它表示已獲得三個客戶的承諾，以評估這些第一代產(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，”O(jiān)dyssey 首席執(zhí)行官 Mark Davidson 說?！拔覀冋趶墓に嚭筒牧涎邪l(fā)到以橫向 GaN 實(shí)際無法達(dá)到的電壓提供產(chǎn)品，而經(jīng)濟(jì)性硅和碳化硅無法達(dá)到。對于相同的應(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?！?/p>
“我們不只是制造測試結(jié)構(gòu)。我們正在構(gòu)建客戶需要的產(chǎn)品樣品。隨著客戶全面了解 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)特的專業(yè)知識和知識產(chǎn)權(quán)組合來保護(hù)它。通過我們在紐約伊薩卡的自己的鑄造廠，我們可以快速創(chuàng)新并控制我們向客戶供應(yīng)產(chǎn)品的能力，”他說。
Odyssey 表示，其垂直 GaN 方法將提供硅、碳化硅和橫向 GaN 無法提供的更大改進(jìn)。650 伏是當(dāng)今更大的市場，預(yù)計(jì)將以 20% 的復(fù)合年增長率增長。1200 伏產(chǎn)品細(xì)分市場預(yù)計(jì)將以 63% 的復(fù)合年增長率更快地增長，并將在本十年的下半葉成為更大的市場。
圖片來源：拍信網(wǎng)正版圖庫
一、imec的沖拳出擊
比利時的研究實(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，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 1800V。
愛思強(qiáng) G5+ C 全自動金屬有機(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 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，尤其是電動汽車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 晶圓廠的較大晶圓上加工，具有顯著的成本優(yōu)勢，”imec 高級業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理 Denis Marcon 說。
高擊穿電壓的關(guān)鍵在于對復(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?！霸?imec 的設(shè)施中安裝 G5+C 后，imec 專有的 200 毫米 GaN-on-Si 材料技術(shù)在大批量制造平臺上獲得了認(rèn)證，目標(biāo)是高壓電源開關(guān)和射頻應(yīng)用，使我們的客戶能夠?qū)崿F(xiàn)快速通過預(yù)先驗(yàn)證的可用 Epi-recipes 提高產(chǎn)量。憑借這一新成就，我們將能夠共同開拓新市場。”
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
博世也正在開發(fā)一種在歐洲生產(chǎn)的，用于汽車的 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、中國和美國有幾個項(xiàng)目正在開發(fā) 1200V GaN 器件。
自 2021 年底以來，博世羅伊特林根工廠一直在大規(guī)模生產(chǎn)用于電動和混合動力汽車的碳化硅 (SiC) 芯片，它們已經(jīng)幫助將運(yùn)行范圍提高了 6%。
由于年增長率達(dá)到 30% 或更高，對 SiC 芯片的需求仍然很高，這意味著博世的訂單已滿。為了使這些電力電子產(chǎn)品更實(shí)惠、更高效，并解決短缺問題，博世也在探索使用其他類型的芯片。
博世管理委員會主席 Stefan Hartung 表示：“我們還在研究開發(fā)用于電動汽車應(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?！?/p>
博世表示，在將它們用于車輛之前，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)勢在于我們已經(jīng)熟悉微電子很長時間了——而且我們對汽車也很熟悉?！?/p>
該計(jì)劃還包括在羅伊特林根和德累斯頓建造兩個新的開發(fā)中心，總成本超過 1.7 億歐元。此外，該公司將在未來一年斥資 2.5 億歐元，在其位于德累斯頓的晶圓廠新建一個 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)增長做準(zhǔn)備——也是為了我們客戶的利益，”Hartung 說?！皩ξ覀儊碚f，這些微型組件意味著大生意?！?/p>
三、歐洲財團(tuán)的雄心
在早前舉辦的全球最大的電力電子展 PCIM Europe 2023上，旨在以類似硅的成本實(shí)現(xiàn)垂直 GaN（氮化鎵）功率晶體管的歐洲財團(tuán) YESvGaN 介紹了其方案。
YESvGaN 是一項(xiàng)于 2021 年啟動的歐洲研究項(xiàng)目，旨在通過展示一種新型垂直 GaN 功率晶體管來解決這些問題，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)盟總部位于七個國家，包括羅伯特博世、意法半導(dǎo)體、Soitec、Siltronic、AIXTRON、X-FAB、德國研究機(jī)構(gòu) Fraunhofer IISB、費(fèi)迪南德布勞恩研究所、比利時根特大學(xué)和德國大學(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”和歐洲國家資助。
之所以不能采用GaN on Silicon（在硅襯底上生長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)目正在著手開發(fā)一種“垂直 GaN 薄膜晶體管”，它在 GaN 生長后去除器件區(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級的縱型GaN功率晶體管。據(jù)稱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，在硅/藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)厚漂移層外延生長達(dá) 300mm 的技術(shù)開發(fā)；
最大1200V/100A導(dǎo)通電阻4mΩcm2垂直GaN功率晶體管的開發(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)可通過干法蝕刻去除硅襯底和緩沖層，通過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；
開發(fā)功率晶體管組裝和互連技術(shù)開發(fā)，相應(yīng)的可靠性表征；
為開發(fā)的功率晶體管創(chuàng)建數(shù)據(jù)表并在多個應(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)寶石上生長了二極管擊穿電壓超過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：“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)觀察）
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