1200V氮化鎵挑戰(zhàn)SiC是否真的可行

1200V氮化鎵挑戰(zhàn)SiC是否真的可行？在全球最大的電力電子展PCIMEurope2023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。近年來，SiC（碳化硅）、GaN（氮化鎵）等寬帶隙（WBG）功率半導(dǎo)體的開發(fā)和市場導(dǎo)入速度加快，但與硅相比成本較高的問題依然存在。此外，GaN功率器件分為在硅片上形成GaN活性層的“水平型”和直接使用GaN襯底的“垂直型”。使用硅片的臥式可以以較低的成本獲得GaN的高頻特性，但不適合需要650V以上的高耐壓的情況。另一方面，垂直型比水平型更適合高電壓和大電流，但GaN晶圓價格昂貴，直徑小，約為2至4英寸。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)FraunhoferIISB、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)計劃“ECSELJU”和歐洲國家資助。該研究正朝著實(shí)現(xiàn)兩種垂直特性的方向進(jìn)行，同時獲得在硅或藍(lán)寶石襯底上異質(zhì)外延生長GaN的成本優(yōu)勢。之所以不能采用GaNonSilicon（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150mmGaNonSilicon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)計這將加速量產(chǎn)。垂直GaN。”他們想用垂直GaN取代SiC！一家基于專有的氮化鎵（“GaN”）加工技術(shù)開發(fā)創(chuàng)新型高壓功率開關(guān)元件的半導(dǎo)體器件公司OdysseySemiconductorTechnologies,Inc今天宣布，公司的垂直GaN產(chǎn)品樣品制作完成，并于2023年第一季度開始向客戶發(fā)貨。該公司的首席執(zhí)行官評論道：“我們積壓的客戶一直在熱切地等待這些垂直GaN產(chǎn)品樣品。我很自豪地報告說，制造已按計劃于2022年第四季度完成，現(xiàn)在正在準(zhǔn)備樣品，以便在本季度晚些時候運(yùn)送給客戶?！薄拔覀儗⑴c這些初始客戶密切合作，以獲得有關(guān)他們產(chǎn)品功能的寶貴反饋。我們希望在2023年第二季度末與客戶達(dá)成產(chǎn)品開發(fā)協(xié)議?！彼又f。CEO進(jìn)一步指出，產(chǎn)品樣品制造的完成鞏固了Odyssey作為功率應(yīng)用垂直GaN技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者的地位。它需要我們的重要知識產(chǎn)權(quán)來制造適用于客戶用例的產(chǎn)品。展望未來，Odyssey繼續(xù)開發(fā)和保護(hù)所需的IP，并將通過與主要客戶合作獲得更多優(yōu)勢，這些客戶將提供更多見解以確保產(chǎn)品成功。據(jù)報道，Odyssey的垂直GaN方法將比碳化硅或橫向GaN提供比硅更大的商業(yè)優(yōu)勢。垂直GaN在競爭技術(shù)無法達(dá)到的性能和成本水平上比碳化硅(SiC)具有10倍的優(yōu)勢。報道指出，650伏部分是當(dāng)今更大的市場，預(yù)計將以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年成為更大的市場。根據(jù)法國市場研究公司YoleGroup的數(shù)據(jù)，到2027年，650伏和1200伏功率設(shè)備市場預(yù)計將超過50億美元，復(fù)合年增長率為40%。從報道可以看到，OdysseySemiconductorTechnologies,Inc開發(fā)了一項(xiàng)專有技術(shù)，旨在讓GaN取代SiC作為新興的高壓功率開關(guān)半導(dǎo)體材料。公司總部位于紐約州伊薩卡，擁有并經(jīng)營一個10,000平方英尺的半導(dǎo)體晶圓制造設(shè)施，配備1,000級和10,000級潔凈空間以及用于先進(jìn)半導(dǎo)體開發(fā)和生產(chǎn)的工具。OdysseySemiconductor還提供世界一流的半導(dǎo)體器件開發(fā)和代工服務(wù)。用1200V氮化鎵挑戰(zhàn)SiC？他們在路上OdysseySemiconductorTechnologies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。計劃于2022年第四季度提供用于客戶評估的器件產(chǎn)品樣品。這一舉措意義重大，因?yàn)槿蛴卸鄠€1200V垂直GaN項(xiàng)目，歐洲的imec和Bosch致力于該技術(shù)，而中國的Enkris生產(chǎn)適用于此類的300mm外延片設(shè)備。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?！癘dyssey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M(fèi)arkDavidson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。”“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。根據(jù)收集市場統(tǒng)計數(shù)據(jù)的法國公司Yole的數(shù)據(jù)，到2027年，650和1200伏電力設(shè)備市場預(yù)計將增長到約50億美元，復(fù)合年增長率為40%。IMEC的1200V氮化鎵比利時的研究實(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200mmQST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?！癎aN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DenisMarcon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，并結(jié)合使用在IIAP計劃中與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1200VGaN-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FelixGrawert博士說。“在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200mmGaN-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。博世為汽車開發(fā)1200VGaN工藝博世正在開發(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。這是計劃到2026年在其半導(dǎo)體部門投資30億歐元的計劃的一部分，這是擬議的歐洲微電子和通信技術(shù)IPCEI計劃的一部分。歐洲、中國和美國有幾個項(xiàng)目正在開發(fā)1200VGaN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StefanHartung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?！辈┦辣硎?，在將它們用于車輛之前，它們必須變得更加堅固，并且能夠承受高達(dá)1200伏的更高電壓?！跋襁@樣的