為何碳化硅比氮化鎵更早用于耐高壓應(yīng)用？

目前，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等“WBG（Wide Band Gap，寬禁帶，以下簡(jiǎn)稱為：WBG）”以及基于新型材料的電力半導(dǎo)體，其研究開(kāi)發(fā)技術(shù)備受矚目。根據(jù)日本環(huán)保部提出的“加快推廣應(yīng)用和推廣碳中和”的政策。日本大坂大學(xué)的森勇介教授，一直在從事高品質(zhì)的半導(dǎo)體研究，這一次，我們就氮化鎵的研發(fā)情況、研究成果對(duì)未來(lái)的應(yīng)用前景產(chǎn)生的影響，森教授進(jìn)行了訪談。

目前，功率半導(dǎo)體的應(yīng)用廣泛，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。據(jù)報(bào)道，美國(guó)特斯拉公司的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)逆變器使用的是碳化硅半導(dǎo)體。另外，很多讀者都已經(jīng)在電器市場(chǎng)上看到了使用了氮化鎵半導(dǎo)體的微型 AC 轉(zhuǎn)換器。采用寬禁帶材料制作的電力半導(dǎo)體，其內(nèi)部電路在高壓運(yùn)行時(shí)的電性能和效率要比傳統(tǒng)的硅材料高得多。

對(duì)于已被實(shí)際使用的碳化硅半導(dǎo)體和氮化鎵半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，其耐受電壓（高于標(biāo)稱電壓，用于保持可靠性的基礎(chǔ)電壓）的需求是不同的。例如，碳化硅耐電壓大于或等于1000 V，并且氮化鎵耐電壓小于1000 V。正是由于這些區(qū)別，使得功率半導(dǎo)體廠商與研究開(kāi)發(fā)廠商之間產(chǎn)生了一種“無(wú)聲的默契”。但是，以上所說(shuō)的改變是非常有可能的。因?yàn)榈壙梢詷O大地減少晶片的缺陷（錯(cuò)位）密度，從而能夠改善應(yīng)用終端的性能和效率，并且比碳化硅材料要好得多，因此，可以大規(guī)模生產(chǎn)?，F(xiàn)在，研究和開(kāi)發(fā)人員正致力于收集有關(guān)的資料來(lái)驗(yàn)證以上的結(jié)論。森勇介教授，日本大坂大學(xué)，在以上研究和開(kāi)發(fā)活動(dòng)中處于領(lǐng)先地位。

?氮化鎵功率半導(dǎo)體雖然適用性極高，但依然面臨三項(xiàng)社會(huì)問(wèn)題?

僅從物理特性來(lái)看，氮化鎵比碳化硅更適合做功率半導(dǎo)體的材料。研究人員還將碳化硅與氮化鎵的“Baliga特性指標(biāo)（與硅相比，硅是1）相比，4H-SiC是500，而氮化鎵是900，效率非常高。另外，碳化硅具有2.8 MV/cm的絕緣失效電場(chǎng)強(qiáng)度，以及3.3 MV/cm的氮化鎵。通常，在低頻工作時(shí)，其功率損耗是絕緣失效電場(chǎng)的3倍，而在高頻時(shí)則是2次，與之相反，因此它具有更低的功耗（工作效率）。

那么，為何碳化硅比氮化鎵更早用于耐高壓應(yīng)用？原因是，在 MOS場(chǎng)效應(yīng)管的制造中，碳化硅更容易形成SiO2 (SiO2)，「氮化鎵晶片面臨三大難題」（森教授），如下圖所示）

? 圖1：日本大阪大學(xué)森勇介列舉的氮化鎵晶圓面臨的問(wèn)題點(diǎn)。 ? ?

第一個(gè)問(wèn)題是，因?yàn)榈壊牧希˙ulk Wafer）的體積很小，所以以前只能制造低價(jià)的芯片，有些產(chǎn)品連測(cè)試都做不到。之前只能制造2寸的芯片，現(xiàn)在已經(jīng)能制造4寸了。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，要大規(guī)模生產(chǎn)功率半導(dǎo)體，至少需要6英寸以上的芯片，因此目前還不能大規(guī)模生產(chǎn)。此外，上述用于小型 AC轉(zhuǎn)換器的氮化鎵功率半導(dǎo)體使用以下的晶片，其最大尺寸為6吋的 Si基板上。然而，由于硅和氮化鎵的晶體常數(shù)不同，所以其缺陷密度較高，無(wú)法形成能夠承受高壓、大電流的縱型 FET，以及高性能的橫向 HEMT。

第二個(gè)問(wèn)題是，氮化鎵晶片是一種結(jié)塊狀（Bulk)，其自身的質(zhì)量并不高。目前，晶片的最大錯(cuò)位密度達(dá)到每平方厘米106，這樣的密度等級(jí)對(duì)于功率半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)并不適用。作為反映晶片翹曲性的指示器的2英寸晶片的傾角（Off）分布為0.2°，難以實(shí)現(xiàn)大尺寸和低成本。然而，以上所述的低品質(zhì)晶片適用于制造光學(xué)半導(dǎo)體。但是，由于功率半導(dǎo)體的存在，電流必須要通過(guò)晶片的絕大部分區(qū)域流動(dòng)，因此，出現(xiàn)了大量的錯(cuò)位缺陷，從而導(dǎo)致了高電壓、高電流量和低良率的問(wèn)題。為了應(yīng)用于功率半導(dǎo)體，必須符合下列錯(cuò)位密度的要求：高電壓的耐受范圍在0.65~3.3 kV之間，單片的電流大于100 A，而制造良率要在90%（錯(cuò)位缺陷要低，翹曲度要低）。

第三個(gè)問(wèn)題，晶圓價(jià)格高昂。如今，2英寸晶圓的價(jià)格為10萬(wàn)日元一一20萬(wàn)日元（約人民幣5220元一一10440元）。之所以價(jià)格如此高昂，理由如下：還沒(méi)有確立一項(xiàng)技術(shù)，可以以較高的良率生產(chǎn)出大尺寸晶圓。尺寸為6英寸、價(jià)格在10萬(wàn)日元（約人民幣5220元）以下的晶圓才適用于功率半導(dǎo)體的量產(chǎn)。

?成功獲得適用于量產(chǎn)功率半導(dǎo)體的、高質(zhì)量、大尺寸氮化鎵晶圓?

氮化鎵晶片存在以上問(wèn)題的根源是其晶體生長(zhǎng)方式。目前批量生產(chǎn)的 Bulk氮化鎵晶片采用以下方式制造，利用 HEPV （Hydride Vapor Phase Epitaxial）氣相外延法（下文簡(jiǎn)稱“HVPE”），通過(guò)氣相外延法（HEPV）來(lái)制備氮化鎵晶體。若將藍(lán)寶石等作為晶體生長(zhǎng)的基本原料，則會(huì)出現(xiàn)大量的錯(cuò)位缺陷，這是因?yàn)榈壟c氮化鎵的晶體常數(shù)（Lattice Constant）不同。另外，使用“HVPE”，在1000℃溫度下形成晶體，在常溫條件下，晶片會(huì)發(fā)生彎曲，并產(chǎn)生傾斜角度。

另外，與體塊（Bulk）氮化鎵晶片批量生產(chǎn)過(guò)程中所采用的“HVPE”法相比，還有一種稱為“氨熱法”的結(jié)晶法，它能產(chǎn)生高品質(zhì)的晶體?！鞍睙岱ā笔抢盟疅岱ǎㄒ呀?jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)）生產(chǎn)人造晶體的一種新工藝。將壓力容器中的氨氣溫度、壓力升高到超臨界狀態(tài)，將 NaAs多晶體溶解，然后將其沉積到 NaAs種晶（Seed Crystal）上。采用液相法，采用氮化鎵晶種作為基體材料，可以得到高品質(zhì)的單晶。“不過(guò)，使用氨熱法，晶體生長(zhǎng)到一定程度后，就會(huì)停止生長(zhǎng)。根據(jù)以上現(xiàn)象，我們可以制造4吋的晶片，但要制造出更大的晶片，則需要一定的時(shí)間?！保ㄉ淌冢?/p>

但是，在過(guò)去的幾年中，由于不能生產(chǎn)高品質(zhì)的塊狀氮化鎵晶片，這種狀況在最近幾年得到了很大的提高。生產(chǎn)高質(zhì)量、低成本的體塊（Bulk）氮化鎵芯片是一項(xiàng)技術(shù)。日本大坂大學(xué)和豐田公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種新的技術(shù)，可以解決以上問(wèn)題（如下圖所示)，這是一種將 Na Flux法（NaFlux工藝，通過(guò)這種工藝來(lái)生長(zhǎng) GaAs晶體）和 Point Seed法（采用點(diǎn)晶法制作大晶片）。

? ? 圖2：融合“Na Flux（鈉助溶）法”和“Point Seed（點(diǎn)籽晶）法”，使大尺寸體塊式（Bulk）氮化鎵晶圓的制作成為可能。 ?

Na Flux （Na Flux）工藝是將 Na/GaN溶液置于壓力30-40的氮?dú)庵校谠撊芤褐腥芙獾⑹蛊滹柡?，由此?dǎo)致氮化鎵晶體沉淀。此項(xiàng)技術(shù)由山根久典教授于日本東北大學(xué)開(kāi)發(fā)，該技術(shù)由日本東北大學(xué)教授開(kāi)發(fā)。Na Flux （Na Flux）工藝的特征在于，即使種子的品質(zhì)很差，也能在其表面形成高品質(zhì)的晶體。然而，單靠這種方法，只能通過(guò)一點(diǎn)微粒就能生成完全的晶體，而不能形成大的晶體。因此，采用點(diǎn)籽晶（Point Seed）方法，實(shí)現(xiàn)了大尺寸晶片的成型。即將晶種大面積分布于大塊狀基質(zhì)上，并在晶體生長(zhǎng)的同時(shí)，將其分離，形成單一晶體。

森教授說(shuō)，采用以上方法，可以得到一種適合大規(guī)模生產(chǎn)功率半導(dǎo)體的晶粒，該晶片的錯(cuò)位密度小于104/cm2，6英寸晶片傾斜角度分布為0.2度。另外，6英寸的塊狀氮化鎵基板（世界上最大的）也被成功地制造出來(lái)。另外，若是采用更大的基材、更多的晶種，也能在不影響產(chǎn)量的情況下，制造出10寸的晶片。

大尺寸的塊狀基板（如下圖所示）。森教授認(rèn)為，與目前的碳化硅基板相比，其成本相當(dāng)，而且能達(dá)到更大的尺寸。日本大坂大學(xué)、豐田公司等公司，都參與了日本環(huán)保部的“在第四個(gè)年頭，進(jìn)一步促進(jìn)碳中和，加快使用和推廣零件和材料”的計(jì)劃，最近，“氨熱法”技術(shù)的三菱化工公司也參與了這一計(jì)劃，許多公司的參與將對(duì)項(xiàng)目的執(zhí)行和驗(yàn)證起到更大的作用。

? 圖3：融合“Na Flux（鈉助溶）法”和“氨熱法”?！癗a Flux（鈉助溶）法”的優(yōu)勢(shì)是可使晶圓實(shí)現(xiàn)較大的尺寸、較高的質(zhì)量；“氨熱法”的優(yōu)勢(shì)是可提高晶圓質(zhì)量。二者融合后，可以獲得比碳化硅成本更低的的氮化鎵晶圓。

?可成功提高元件的性能、良率?

據(jù)森教授表示，使用由“Na Flux（鈉助溶）法”和“Point Seed（點(diǎn)籽晶）法”制成的氮化鎵襯底后發(fā)現(xiàn)，氮化鎵元件的性能、良率普遍得到提高。日本大阪大學(xué)和松下集團(tuán)合作，利用Na Flux（鈉助溶）法，以體塊（Bulk）襯底為基礎(chǔ)制作了縱型氮化鎵FET，并從芯片OFF性能的角度考察了成品率（如下圖所示）。采用目前市面上已有的氮化鎵基板制作的晶片，其產(chǎn)出率只有33%，而采用以上的工藝，其成品率可以提高到72%。另外，以上研究結(jié)果都是建立在實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)之上的，今后仍有很大的發(fā)展空間。

圖4：利用“Na Flux（鈉助溶）法”和“Point Seed（點(diǎn)籽晶）法”可制作出高質(zhì)量、大尺寸的氮化硅襯底。

利用“Na Flux（鈉助溶）法”和“Point Seed（點(diǎn)籽晶）法”可制作出高質(zhì)量、大尺寸的氮化硅襯底。（圖片出自：日本大阪大學(xué)）此外，研究人員已經(jīng)開(kāi)始利用“OVPE法（Oxide Vapor Phase Epitaxy，氧化物氣相外延法，簡(jiǎn)稱為：OVPE，可用于制作超低電阻的晶圓，由日本大阪大學(xué)研發(fā)、松下集團(tuán)推進(jìn)其實(shí)用化）”，在由“Na Flux（鈉助溶）法”和“Point Seed（點(diǎn)籽晶）法”制成的晶種上生長(zhǎng)氮化鎵結(jié)晶，以研發(fā)更高性能的縱型氮化鎵FET。制成的晶圓的電阻約為10-4Ωcm2，遠(yuǎn)低于碳化硅晶圓（10-3Ωcm2左右）、錯(cuò)位密度為104/cm2、氮化鎵膜厚超過(guò)1毫米。研究人員獲得了一塊晶圓，該晶圓有望實(shí)現(xiàn)縱型FET。與碳化硅基的縱型MOS FET相比，在性能方面，縱型FET具有更高的潛力（下圖5）。與利用傳統(tǒng)的體塊式氮化鎵晶圓制成的芯片相比，實(shí)驗(yàn)制作的二極管的ON電阻值降低了50%，縱型FET的OFF電阻值降低了15%（甚至更高）。

在日本環(huán)境省的項(xiàng)目中，為實(shí)現(xiàn)在電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)逆變器中的應(yīng)用，日本大阪大學(xué)著力研發(fā)具有超低電阻、高質(zhì)量、大尺寸的體塊氮化鎵襯底以及相關(guān)其他產(chǎn)品、模組。（下圖6）