日本企業(yè)OKI于2023年9月5日宣布，與信越化學（以下簡稱信越化學）聯(lián)合開發(fā)了一項新技術，該技術將導致實現(xiàn)低成本垂直GaN（氮化鎵）功率器件。該技術僅從“QST基板”（一種專用于GaN生長的復合材料基板）上剝離GaN功能層，并將其粘合到不同材料的基板上。如果采用新技術實現(xiàn)垂直GaN功率器件，與現(xiàn)有技術相比，將有可能將成本降低至十分之一左右。

GaN因其特性，作為高性能功率半導體材料而備受關注，近年來其開發(fā)和市場導入不斷加速。GaN功率器件有兩種類型：水平型（在硅晶圓上生長GaN晶體）和垂直型（原樣使用GaN襯底）。使用硅片的臥式類型可以以相對較低的成本獲得GaN的高頻特性，但在需要超過650V的高擊穿電壓時不適合。另一方面，垂直型比水平型更適合高電壓和大電流，但存在成本問題，例如GaN晶圓價格昂貴且直徑較小，約為2至4英寸。

OKI和信越化學開發(fā)的新技術是利用OKI開發(fā)的“CFB（晶體薄膜鍵合）技術”分離在信越化學獨特改進的QST襯底上生長的單晶GaN，并鍵合異種材料襯底。就是加入到的意思。這使得在GaN中實現(xiàn)垂直導電性并同時增加晶圓直徑成為可能，“有助于社會上可實施的垂直GaN功率器件的實現(xiàn)和廣泛使用。”

QST襯底是美國Qromis公司開發(fā)的專門用于GaN生長的復合材料襯底，信越化學于2019年與Qromis公司簽訂了許可協(xié)議。QST基板具有與GaN相同的熱膨脹系數(shù)，可以抑制翹曲和裂紋。這一特性使得在8英寸或更大的晶圓上生長高擊穿電壓的厚膜GaN晶體成為可能，解決了直徑增大的問題。

另一方面，OKI的CFB技術可以僅從QST基板上剝離GaN功能層，同時保持高器件特性。此外，GaN晶體生長所需的絕緣緩沖層已被去除，各種襯底可以通過允許“歐姆接觸”（根據(jù)歐姆定律具有線性電流-電壓曲線的電連接）的金屬電極連接。它可以加入到。具體而言，除了硅以外，還可以與SiC（碳化硅）、GaN、GaAs（砷化鎵）、InP（磷化銦）等化合物半導體晶片、玻璃晶片等基板接合。OKI 解釋說：“只要表面平整度與半導體晶圓相當，CFB 技術就可以進行粘合。”

兩家公司表示，通過使用這些技術將GaN層鍵合到具有高散熱性的導電襯底上，將有可能實現(xiàn)高散熱性和垂直導電性。OKI表示，“兩家公司的技術解決了兩個問題，為垂直GaN功率器件的社會實施鋪平了道路。如果我們能夠將QST襯底上的單晶GaN與CFB技術相結合來實現(xiàn)垂直GaN，我們假設成本可以降低到十分之一左右。”

展望未來，信越化學計劃向制造 GaN 器件的客戶提供 QST 襯底和外延襯底，OKI 將通過合作和許可提供 CFB 技術。OKI 預計將于 2024 年開始向客戶推出該技術。

氮化鎵襯底生長技術難在哪兒？

GaN半導體產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)為：襯底→GaN材料外延→器件設計→器件制造。其中，襯底是整個產(chǎn)業(yè)鏈的基礎。

作為襯底，GaN自然是最適合用來作為GaN外延膜生長的襯底材料。同質外延生長從根本上可解決使用異質襯底材料所遇到的晶格失配與熱失配問題，將生長過程中由于材料之間性質差異所引起的應力降到最低，能夠生長出異質襯底無法相比的高質量GaN外延層。舉例來說，以氮化鎵為襯底可以生長出高質量的氮化鎵外延片，其內部缺陷密度可以降到以藍寶石為襯底的外延片的千分之一，可以有效的降低LED的結溫，讓單位面積亮度提升10倍以上。

但是，目前GaN器件常用的襯底材料并不是GaN單晶，主要原因就是一個字：難！相對于常規(guī)半導體材料，GaN單晶的生長進展緩慢，晶體難以長大且成本高昂。

GaN的首次合成是在1932年，當時是以NH3和純金屬Ga為原料合成了氮化鎵。從那之后，雖然對氮化鎵單晶材料做了許多積極的研究，可是由于GaN在常壓下無法熔化，高溫下分解為Ga和N2，在其熔點(2300℃)時的分解壓高達6GPa，當前的生長裝備很難在GaN熔點時承受如此高的壓力，因此傳統(tǒng)熔體法無法用于GaN單晶的生長，所以只能選擇在其他襯底上進行異質外延生長。當前的GaN基器件主要基于異質襯底(硅、碳化硅、藍寶石等)制作而成，使得GaN單晶襯底及同質外延器件的發(fā)展落后于基于異質外延器件的應用。

全球氮化鎵襯底技術共13000多件專利，其中日本占比接近60%，可見日本在該領域遙遙領先，一枝獨秀。國外主要生產(chǎn)商有日本住友、古河電氣和Kyma，國內有蘇州納維、東莞中鎵和上海鎵特。日本住友2003年就在全球率先量產(chǎn)氮化鎵襯底，側重HVPE法，重點解決襯底缺陷、尺寸等難題。氮化鎵襯底目前以2-3英寸為主，4英寸已經(jīng)實現(xiàn)商用，6英寸樣本也已開發(fā)。


國產(chǎn)生長設備成功投運

近日，國家第三代半導體技術創(chuàng)新中心（蘇州）材料生長與裝備平臺與企業(yè)聯(lián)合研發(fā)的首臺國產(chǎn)MOCVD設備，首爐試生長成功產(chǎn)出高質量GaN外延片。

首爐高質量GaN外延片的成功出爐，標志著國創(chuàng)中心（蘇州）的公共研發(fā)平臺在協(xié)助產(chǎn)業(yè)界研發(fā)新設備、開發(fā)新技術的支撐服務能力方面，又邁進了堅實的一步，具有重要的里程碑意義。

該臺MOCVD設備進一步提高了腔體的環(huán)境穩(wěn)定性，通過對核心部件的優(yōu)化設計，獲得比傳統(tǒng)商用設備更高的氣流可調性和溫度一致性。可以滿足對外延要求更高的氮化物材料與器件（GaN基Micro-LED等）的外延生長和器件開發(fā)。

科研人員在該設備上開展試生長實驗，采用兩步生長技術獲得GaN單晶材料外延層。第一步在襯底上生長低溫緩沖層，第二步對緩沖層進行高溫熱處理，然后進行三維粗化和三維轉二維的合并，最終實現(xiàn)低位錯GaN材料的平坦化生長。生長的外延層厚度控制在約2μm，不進行任何摻雜，同時驗證設備運行的各項性能。


我國已掌握8英寸氧化鎵外延片生產(chǎn)方法

氮化鎵中國已經(jīng)可以生產(chǎn)了，而氧化鎵單晶熔點達到1820℃，高溫生長過程中極易分解揮發(fā)，容易產(chǎn)生大量的氧空位，進而造成孿晶、鑲嵌結構、螺旋位錯等缺陷，因而生產(chǎn)難度很大。

目前能夠制造大尺寸（6英寸）高質量氧化鎵晶圓的方法只有導模法，而這種方法需要使用基于貴金屬銥的坩堝，成本非常高昂，是黃金的3倍，且坩堝易損壞還有使用次數(shù)限制。

為什么一定要使用銥坩堝呢？這就是前面所說的氧化鎵單晶熔點高達1820℃，銥坩堝可以在2100～2200℃工作幾千小時，可以保持晶體的純度和穩(wěn)定性。

銥坩堝是目前能夠制造大尺寸質量氧化鎵晶圓最常用的方法，根據(jù)中國科學院院士、浙江大學硅材料國家重點實驗室主任楊德仁團隊的說法，日本和美國普遍采用導模法生產(chǎn)氧化鎵，一個4英寸的坩堝就需要5公斤的銥，可以說貴得驚人。

而楊院士團隊提出了一種新的工藝熔體法來生產(chǎn)氧化鎵，可以減少80%的銥用量，從而顯著降低生產(chǎn)成本，只有導模法的1/10。該團隊自去年生產(chǎn)出2英寸的晶圓后，目前又取得重大突破，生產(chǎn)出了4英寸的晶圓。

與此同時，中國電科46所也取得了重大突破，今年3月已制備出高質量的8英寸氧化鎵外延片，達到了國際最高水平。