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为何碳化硅比氮化镓更早用于耐高压应用?

时间:2023-05-16 11:26来源:未知 作者:admin 点击:
目前,以碳化硅(SiC)、 氮化镓 (GaN)等“WBG(Wide Band Gap,宽禁带,以下简称为:WBG)”以及基于新型材料的电力 半导体 ,其研究开发技术备受瞩目。根据日本环保部提出的“加快

目前,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等“WBG(Wide Band Gap,宽禁带,以下简称为:WBG)”以及基于新型材料的电力半导体,其研究开发技术备受瞩目。根据日本环保部提出的“加快推广应用和推广碳中和”的政策。日本大坂大学的森勇介教授,一直在从事高品质的半导体研究,这一次,我们就氮化镓的研发情况、研究成果对未来的应用前景产生的影响,森教授进行了访谈。

目前,功率半导体的应用广泛,其应用范围也越来越广。据报道,美国特斯拉公司的马达驱动逆变器使用的是碳化硅半导体。另外,很多读者都已经在电器市场上看到了使用了氮化镓半导体的微型 AC转换器。采用宽禁带材料制作的电力半导体,其内部电路在高压运行时的电性能和效率要比传统的硅材料高得多。

对于已被实际使用的碳化硅半导体和氮化镓半导体来说,其耐受电压(高于标称电压,用于保持可靠性的基础电压)的需求是不同的。例如,碳化硅耐电压大于或等于1000 V,并且氮化镓耐电压小于1000 V。正是由于这些区别,使得功率半导体厂商与研究开发厂商之间产生了一种“无声的默契”。但是,以上所说的改变是非常有可能的。因为氮化镓可以极大地减少晶片的缺陷(错位)密度,从而能够改善应用终端的性能和效率,并且比碳化硅材料要好得多,因此,可以大规模生产。现在,研究和开发人员正致力于收集有关的资料来验证以上的结论。森勇介教授,日本大坂大学,在以上研究和开发活动中处于领先地位。

 氮化镓功率半导体虽然适用性极高,但依然面临三项社会问题 

仅从物理特性来看,氮化镓比碳化硅更适合做功率半导体的材料。研究人员还将碳化硅与氮化镓的“Baliga特性指标(与硅相比,硅是1)相比,4H-SiC是500,而氮化镓是900,效率非常高。另外,碳化硅具有2.8 MV/cm的绝缘失效电场强度,以及3.3 MV/cm的氮化镓。通常,在低频工作时,其功率损耗是绝缘失效电场的3倍,而在高频时则是2次,与之相反,因此它具有更低的功耗(工作效率)。

那么,为何碳化硅比氮化镓更早用于耐高压应用?原因是,在 MOS场效应管的制造中,碳化硅更容易形成SiO2 (SiO2),「氮化镓晶片面临三大难题」(森教授),如下图所示)

为何碳化硅比氮化镓更早用于耐高压应用?

  图1:日本大阪大学森勇介列举的氮化镓晶圆面临的问题点。    

第一个问题是,因为氮化镓材料(Bulk Wafer)的体积很小,所以以前只能制造低价的芯片,有些产品连测试都做不到。之前只能制造2寸的芯片,现在已经能制造4寸了。业内普遍认为,要大规模生产功率半导体,至少需要6英寸以上的芯片,因此目前还不能大规模生产。此外,上述用于小型 AC转换器的氮化镓功率半导体使用以下的晶片,其最大尺寸为6吋的 Si基板上。然而,由于硅和氮化镓的晶体常数不同,所以其缺陷密度较高,无法形成能够承受高压、大电流的纵型 FET,以及高性能的横向 HEMT。

第二个问题是,氮化镓晶片是一种结块状(Bulk),其自身的质量并不高。目前,晶片的最大错位密度达到每平方厘米106,这样的密度等级对于功率半导体来说并不适用。作为反映晶片翘曲性的指示器的2英寸晶片的倾角(Off)分布为0.2°,难以实现大尺寸和低成本。然而,以上所述的低品质晶片适用于制造光学半导体。但是,由于功率半导体的存在,电流必须要通过晶片的绝大部分区域流动,因此,出现了大量的错位缺陷,从而导致了高电压、高电流量和低良率的问题。为了应用于功率半导体,必须符合下列错位密度的要求:高电压的耐受范围在0.65~3.3 kV之间,单片的电流大于100 A,而制造良率要在90%(错位缺陷要低,翘曲度要低)。

第三个问题,晶圆价格高昂。如今,2英寸晶圆的价格为10万日元一一20万日元(约人民币5220元一一10440元)。之所以价格如此高昂,理由如下:还没有确立一项技术,可以以较高的良率生产出大尺寸晶圆。尺寸为6英寸、价格在10万日元(约人民币5220元)以下的晶圆才适用于功率半导体的量产。

 成功获得适用于量产功率半导体的、高质量、大尺寸氮化镓晶圆 

氮化镓晶片存在以上问题的根源是其晶体生长方式。目前批量生产的 Bulk氮化镓晶片采用以下方式制造,利用 HEPV (Hydride Vapor Phase Epitaxial)气相外延法(下文简称“HVPE”),通过气相外延法(HEPV)来制备氮化镓晶体。若将蓝宝石等作为晶体生长的基本原料,则会出现大量的错位缺陷,这是因为氮化镓与氮化镓的晶体常数(Lattice Constant)不同。另外,使用“HVPE”,在1000℃温度下形成晶体,在常温条件下,晶片会发生弯曲,并产生倾斜角度。

另外,与体块(Bulk)氮化镓晶片批量生产过程中所采用的“HVPE”法相比,还有一种称为“氨热法”的结晶法,它能产生高品质的晶体。“氨热法”是利用水热法(已经实现了工业化生产)生产人造晶体的一种新工艺。将压力容器中的氨气温度、压力升高到超临界状态,将 NaAs多晶体溶解,然后将其沉积到 NaAs种晶(Seed Crystal)上。采用液相法,采用氮化镓晶种作为基体材料,可以得到高品质的单晶。“不过,使用氨热法,晶体生长到一定程度后,就会停止生长。根据以上现象,我们可以制造4吋的晶片,但要制造出更大的晶片,则需要一定的时间。”(森教授)

但是,在过去的几年中,由于不能生产高品质的块状氮化镓晶片,这种状况在最近几年得到了很大的提高。生产高质量、低成本的体块(Bulk)氮化镓芯片是一项技术。日本大坂大学和丰田公司联合开发了一种新的技术,可以解决以上问题(如下图所示),这是一种将 Na Flux法(NaFlux工艺,通过这种工艺来生长 GaAs晶体)和 Point Seed法(采用点晶法制作大晶片)。

为何碳化硅比氮化镓更早用于耐高压应用?

    图2:融合“Na Flux(钠助溶)法”和“Point Seed(点籽晶)法”,使大尺寸体块式(Bulk)氮化镓晶圆的制作成为可能。  

Na Flux (Na Flux)工艺是将 Na/GaN溶液置于压力30-40的氮气中,在该溶液中溶解氮并使其饱和,由此导致氮化镓晶体沉淀。此项技术由山根久典教授于日本东北大学开发,该技术由日本东北大学教授开发。Na Flux (Na Flux)工艺的特征在于,即使种子的品质很差,也能在其表面形成高品质的晶体。然而,单靠这种方法,只能通过一点微粒就能生成完全的晶体,而不能形成大的晶体。因此,采用点籽晶(Point Seed)方法,实现了大尺寸晶片的成型。即将晶种大面积分布于大块状基质上,并在晶体生长的同时,将其分离,形成单一晶体。

森教授说,采用以上方法,可以得到一种适合大规模生产功率半导体的晶粒,该晶片的错位密度小于104/cm²,6英寸晶片倾斜角度分布为0.2度。另外,6英寸的块状氮化镓基板(世界上最大的)也被成功地制造出来。另外,若是采用更大的基材、更多的晶种,也能在不影响产量的情况下,制造出10寸的晶片。

大尺寸的块状基板(如下图所示)。森教授认为,与目前的碳化硅基板相比,其成本相当,而且能达到更大的尺寸。日本大坂大学、丰田公司等公司,都参与了日本环保部的“在第四个年头,进一步促进碳中和,加快使用和推广零件和材料”的计划,最近,“氨热法”技术的三菱化工公司也参与了这一计划,许多公司的参与将对项目的执行和验证起到更大的作用。

为何碳化硅比氮化镓更早用于耐高压应用?

  图3:融合“Na Flux(钠助溶)法”和“氨热法”。“Na Flux(钠助溶)法”的优势是可使晶圆实现较大的尺寸、较高的质量;“氨热法”的优势是可提高晶圆质量。二者融合后,可以获得比碳化硅成本更低的的氮化镓晶圆。

 可成功提高元件的性能、良率 

据森教授表示,使用由“Na Flux(钠助溶)法”和“Point Seed(点籽晶)法”制成的氮化镓衬底后发现,氮化镓元件的性能、良率普遍得到提高。日本大阪大学和松下集团合作,利用Na Flux(钠助溶)法,以体块(Bulk)衬底为基础制作了纵型氮化镓FET,并从芯片OFF性能的角度考察了成品率(如下图所示)。采用目前市面上已有的氮化镓基板制作的晶片,其产出率只有33%,而采用以上的工艺,其成品率可以提高到72%。另外,以上研究结果都是建立在实验室基础之上的,今后仍有很大的发展空间。

为何碳化硅比氮化镓更早用于耐高压应用?

图4:利用“Na Flux(钠助溶)法”和“Point Seed(点籽晶)法”可制作出高质量、大尺寸的氮化硅衬底。

利用“Na Flux(钠助溶)法”和“Point Seed(点籽晶)法”可制作出高质量、大尺寸的氮化硅衬底。(图片出自:日本大阪大学)此外,研究人员已经开始利用“OVPE法(Oxide Vapor Phase Epitaxy,氧化物气相外延法,简称为:OVPE,可用于制作超低电阻的晶圆,由日本大阪大学研发、松下集团推进其实用化)”,在由“Na Flux(钠助溶)法”和“Point Seed(点籽晶)法”制成的晶种上生长氮化镓结晶,以研发更高性能的纵型氮化镓FET。制成的晶圆的电阻约为10-4Ωcm²,远低于碳化硅晶圆(10-3Ωcm²左右)、错位密度为104/cm²、氮化镓膜厚超过1毫米。研究人员获得了一块晶圆,该晶圆有望实现纵型FET。与碳化硅基的纵型MOS FET相比,在性能方面,纵型FET具有更高的潜力(下图5)。与利用传统的体块式氮化镓晶圆制成的芯片相比,实验制作的二极管的ON电阻值降低了50%,纵型FET的OFF电阻值降低了15%(甚至更高)。

为何碳化硅比氮化镓更早用于耐高压应用?

在日本环境省的项目中,为实现在电动汽车驱动逆变器中的应用,日本大阪大学着力研发具有超低电阻、高质量、大尺寸的体块氮化镓衬底以及相关其他产品、模组。(下图6)

为何碳化硅比氮化镓更早用于耐高压应用?

图6:超低电阻、高质量、大尺寸的体块氮化镓晶圆、以及相关应用、模组的开发计划。(图片出自:日本大阪大学)

编辑:黄飞

 

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