使用GaN（氮化鎵）的功率半導體作為節能/低碳社會的關鍵器件而受到關注。兩家日本公司聯手創造了一項新技術，解決了導致其全面推廣的問題。OKI 和 Shin-Etsu Chemical 開發了一項新技術，可以以比傳統技術低 90% 的成本制造“垂直 GaN”功率器件。

兩家公司開發的新技術采用OKI開發的“CFB（晶體薄膜接合）技術”來剝離“QST基板”上生長的單晶GaN，“QST基板”是信越化學專門針對GaN專門改進的復合材料基板生長，粘合到不同的材料基材上。這使得能夠以低成本同時實現垂直GaN導電性和大直徑晶圓，并“有助于垂直GaN功率器件在社會上的實現和普及?！?兩家公司于 2023 年 9 月宣布了這項技術，并在 10 月 5 日的新聞發布會上，兩家公司的代表解釋了細節和未來前景。

低成本高品質厚膜GaN

對于在傳統硅襯底上形成GaN的硅基GaN來說，硅和GaN的熱膨脹系數顯著不同，導致由于拉應力而導致較大的翹曲。QST襯底具有與GaN相匹配的熱膨脹系數，可以減少翹曲并抑制裂紋，從而可以外延生長大直徑、高質量的厚膜GaN。據山田先生介紹，該公司已經實現了20μm以上的高質量GaN外延生長。山田先生解釋說：“通過使用多種技術，我們已經實現了約 5 x 106 的缺陷密度。換句話說，可以將缺陷密度降低到普通硅基 GaN 的約 1/1000?！?/span>

此外，由于熱膨脹系數與GaN的熱膨脹系數相匹配，因此還可以簡化緩沖層。如下圖所示，在生長6μm GaN層的情況下，使用硅襯底時，GaN層的厚度可以在一半的生長時間內大約增加一倍。山田先生表示：“可以提高外延設備的產量并降低成本?！?/span>

此外，在硅基GaN的情況下，需要較厚的襯底來抑制翹曲（對于6μm的GaN生長，需要1mm或以上的厚度），并且使用專門設計的半導體器件。尺寸可與符合SEMI和JEITA標準的基板厚度一起使用，因此無需修改或改進設備，并且“可以按原樣使用一般硅工藝”。此外，QST基板具有陶瓷芯，直徑可以做得更大，信越化學已經擁有最大8英寸的產品陣容。山田先生表示：“我們的 8 英寸 QST 襯底的成本與 2 英寸 GaN 襯底的成本大致相同。換句話說，在使用 QST 襯底制造器件時，您可以一次制造大約 16 倍的器件，這顯著降低成本?！敖档统杀臼强赡艿??！?該公司還正在開發 300 毫米（12 英寸）QST 基板，并計劃于 2024 年開始提供樣品。

QST襯底的其他特點包括它已經被用于各種GaN器件中，并且與OKI的CFB技術高度兼容。


一個將改變行業力量平衡的突破

OKI的CFB技術由OKI創新業務開發中心CFB開發部設備應用團隊經理谷川健一進行了講解。

CFB技術是OKI的專有技術，可從各種基材上剝離功能層，并利用分子間力將其粘合到不同材料制成的基材上。它最初是為了減小公司打印機中安裝的打印頭 LED 陣列的尺寸和成本而開發的。具體而言，將由化合物半導體制成的LED晶體薄膜剝離并直接粘合到由硅制成的驅動IC上。

據該公司介紹，CFB技術于2006年投入實際應用，在其打印機業務中出貨量已達1000億點，但迄今為止其使用僅限于自有產品。與此同時，在2022年7月左右，他偶然發現了信越化學的QST襯底上的GaN，這導致了結合QST襯底和CFB技術的新技術的開發。OKI 創新業務開發中心 CFB 開發經理 Takato Suzuki 表示：“我們聽到這個故事的那一刻，立即確信兩家公司聯合開發的技術將成為一項突破，徹底改變功率半導體行業。”


“基材可回收”新技術詳情

兩家公司宣布的新技術涉及在 QST 襯底上生長 GaN 層，然后僅剝離 GaN 功能層并將其沉積在各種其他襯底上以創建“歐姆接觸”（根據歐姆定律的線性電流）它們通過金屬層（例如鈦鋁）進行粘合，從而實現電粘合（具有電壓曲線）。此時，還可以去除緩沖層和硅(111)，從而可以實現垂直導通。如上所述，8英寸QST襯底與2英寸GaN襯底的價格大致相同，因此采用新技術制造垂直GaN功率器件將比傳統GaN on GaN功率器件成本更低，該公司聲稱可以將這一數字減少到十分之一以下。

此外，即使使用CFB技術去除GaN功能層后，QST襯底也可以通過一定的處理重新用作QST襯底，盡管它不會保持完整。目前正在開發回收該板的技術，他表示希望如果實現重復利用，將有可能進一步降低成本。

CFB技術可以粘合到各種基材上，只要它們具有與半導體晶圓相當的表面平整度。具體而言，除了硅以外，還可以與SiC、GaN、GaAs(砷化鎵)、InP(磷化銦)等化合物半導體硅片、玻璃硅片等基板接合。

OKI的CFB技術目前與6英寸顯示器兼容。在本次發布會上，他們推出了將GaN功能層粘合到整個6英寸晶圓上的實際產品。谷川先生表示，雖然成品率仍然較低，但他說：“（CFB技術流程）涉及剝離、運輸和粘貼，但最困難的部分是剝離部分。設計需要吸收內部的變化?！?“但是，如果我們將這種剝離方法發揮到極致，就有可能使其適應大規模生產。” 該公司還解釋說，他們正在“準備支持 8 英寸，目標是在 2025 年開始研發”。關于可支持的 GaN 層厚度，該公司表示，“目前，我們的記錄厚度可達 7 μm?！?要實現 1800V 或更高的高擊穿電壓，需要約 20 μm 的厚度，但該公司表示，“我們相信通過未來的開發可以實現這一點?！?/span>

在比較使用 QST×CFB 技術實現的垂直 GaN 功率器件和 GaN on GaN 器件的特性時，據說“從缺陷密度來看，我們的（基于 QST×CFB 技術的器件）約為5×10 6 ，而缺陷密度約為5×10 4 。因此，雖然目前無法匹配特性，但在成本方面具有很大優勢。


車用GaN處于驗證階段

基于GaN-on-GaN技術，NexGen已經開發了700V/1200V垂直GaN功率半導體器件，并于今年2月宣布工程樣品的可用性，預計今年第三季度開始全面生產。NexGen表示，目前1200V、1Ω 垂直GaN e-mode Fin-jFETs已成功在1.4kV額定電壓下實現超1 MHz開關頻率，對于持續提升電動汽車的性能、可靠性及效率來說具有重要意義。

GaN在低壓消費電子市場經歷了高速發展期，已開始邁進相對的成熟穩定發展期，但在未來一段時間內，消費電子市場仍將是GaN市場的主要驅動引擎。

中長期而言，GaN更大的發展空間在中高壓功率半導體市場，全球廠商目前均已開始著眼于拓展以數據中心為代表的工業應用市場和電動汽車市場等中大功率場景，但目前GaN因可靠性問題，在這些領域大多處于產品研發和驗證階段，成長速度較為緩慢。

就電動汽車應用來看，據TrendForce集邦咨詢分析師龔瑞驕觀察，車載雷達GaN產品是首先量產的產品，例如，英諾賽科的GaN器件已成功用于車載激光雷達場景，在主逆變器、車載充電器等其他高壓場景，GaN落地應用還面臨一些難題，總體來說，GaN當下處于上車驗證階段，長遠可期。

根據TrendForce集邦咨詢《2023 GaN功率半導體市場分析報告 - Part1》顯示，GaN預計2025年左右將小批量滲透到低功率OBC和DC-DC中，并預計到2030年，汽車OEM或考慮將GaN技術引入牽引逆變器。

回到垂直GaN這項技術上，從襯底材料的一致性和產品的電壓范圍來看，NexGen研發的技術和產品都相對符合車規級應用的嚴苛要求，對于推動GaN上車有著積極的影響。

實際上，除了NexGen以外，美國還有另外一家廠商Odyssey Semiconductor Technologies Inc也在專注于開發垂直GaN器件，該公司今年1月宣布650V、1200V GaN垂直產品樣品如期在去年Q4完成開發，將從今年Q1開始送樣客戶。而且，據Odyssey稱，垂直GaN性能比Si、SiC及水平GaN都高，可為高壓電機、太陽能電池板和電動汽車中的下一代800V電池組等電源開關應用帶來顯著的性能提升效果。


新材料 ，未來可期

除了在硅、SiC和GaN上的努力。諸如氧化鎵和金剛石等新的功率半導體材料也是業界正在攻堅的方向。在新材料的探索上，日本一直處于領先的地位，日本有很多企業在功率半導體、高頻元件等領域擁有豐富的生產實績。

金剛石在禁帶寬度、電子遷移度、熱傳導率等諸多方面遠遠比SiC和GaN等半導體材料出色，也被譽為是“終極半導體材料”。不僅是半導體，金剛石也可應用于量子傳感器。

日本的EDP株式會社和Orbray株式會社等日本公司都在積極推進金剛石材質的晶圓業務。其中，“Orbray”研發了一種以藍寶石（Sapphire）為襯底，異質外延生長（Heteroepitaxial Growth）金剛石晶圓的生產方法，如今已經成功制造出直徑為2英寸的晶圓。

此外，日本初創企業日本早稻田大學孵化出了一家以“實現金剛石半導體實用化”為業務目標的初創型企業Power Diamond Systems，意圖將金剛石半導體行業的先驅一一川原田教授的研發成果推向實用化。川原田教授曾利用金剛石半導體的基礎技術（氫終端表面），研發了金剛石場效應晶體管（FET），并為業界熟知。

日本電子設備產業新聞的報道指出，如今金剛石半導體已經開始從實驗室開始邁向實用化。但要真正普及推廣金剛石半導體的應用，依然需要花費很長的時間，不過已經有報道指出，最快在數年內，將會出現金剛石材質的半導體試作樣品。

隨著越來越多的日本企業和大學機構對金剛石和氧化鎵等新材料的探索。相信將為未來的功率功率半導體器件的發展，提供更多的發展空間。

再一個極有潛力的材料是氧化鎵，憑借其在接近5電子伏特的寬帶隙，氧化鎵領先GaN（3.4eV）一英里，與硅（1.1eV）相比，領先優勢更是大到一個馬拉松。在對半導體至關重要的五個特性中，高臨界電場強度是β-氧化鎵的最大優勢。氧化鎵還可以通過稱為摻雜的過程使其導電性更高。這有助于打造高壓開關，也可能意味著可以基于其設計功能強大的RF設備。

2023年4月，日本的Novel Crystal Technology公司正在致力于β-Ga2O3肖特基勢壘二極管的商業化開發。在日本新能源產業技術總合開發機構(NEDO)的推動下，目前也已成功地進行了導入溝槽結構(Trench Structure)之耐壓1,200V、低功耗氧化鎵肖特基二極管的實證。

早在2021年，Novel Crystal Technology成功量產4吋氧化鎵晶圓，已經于今年開始供應客戶晶圓。此外，Novel Crystal Technology還計劃在2023年供應6吋晶圓。2021年，Novel Crystal Technology計劃投資約為20億日元，向其公司工廠添加設備，到 2025 年，建成年產 20,000 片 100mm（4 英寸）氧化鎵 (Ga2O3) 晶圓生產線。

關于氧化鎵的研發，國內也已取得突破。3月14日，西安郵電大學宣布，該校陳海峰教授團隊日前成功在8英寸硅片上制備出了高質量的氧化鎵（GaO）外延片；此前在2月底，中國電子科技集團有限公司（中國電科）宣布，中國電科46所成功制備出我國首顆6英寸氧化鎵單晶，達到國際最高水平。


結語

無論是對現有硅基功率半導體的結構創新，還是垂直GaN的突破，以及金剛石和氧化嫁等更新材料的探索，都是為了能夠為行業提供更優良的解決方案。隨著科技的不斷進步和需求的增長，功率半導體的突破將為電子設備和能源系統帶來巨大的變革和提升。