如今，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等“WBG（Wide Band Gap，寬禁帶，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為：WBG）”新型材料為基礎(chǔ)的功率半導(dǎo)體的研發(fā)技術(shù)頗受關(guān)注?；谌毡经h(huán)境省的“為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)碳中和，加速推進(jìn)應(yīng)用和普及材料（氮化鎵）、CNF（碳納米纖維）”的方針，日本大阪大學(xué)森勇介教授一直致力于以高質(zhì)量晶圓為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體研發(fā)工作，此次，針對(duì)氮化鎵研發(fā)情況、研發(fā)成果對(duì)未來(lái)功率半導(dǎo)體應(yīng)用場(chǎng)景的影響等，我們對(duì)森教授進(jìn)行了采訪(fǎng)。
如今采用了寬禁帶材料的功率半導(dǎo)體已經(jīng)開(kāi)始實(shí)用化。據(jù)悉，美國(guó)特斯拉（Tesla）的電機(jī)（Motor）驅(qū)動(dòng)逆變器（Inverter）采用了碳化硅半導(dǎo)體。此外，應(yīng)該也有不少讀者在家電銷(xiāo)售中心等處見(jiàn)過(guò)一些采用了氮化鎵半導(dǎo)體的極小型交流轉(zhuǎn)換器（AC Converter）。在高電壓工作情況下，以寬禁帶材料制成的功率半導(dǎo)體的內(nèi)部線(xiàn)路的電氣性能和有效性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硅材質(zhì)的傳統(tǒng)半導(dǎo)體。
對(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的碳化硅半導(dǎo)體和氮化鎵半導(dǎo)體而言，應(yīng)用終端對(duì)其耐電壓（Rated Voltage，比額定電壓高，是為維持信賴(lài)性的基本電壓）的要求不同，分別如下，碳化硅耐電壓1000V以上，氮化鎵耐電壓1000V以下?；谏鲜鰠^(qū)分，功率半導(dǎo)體廠(chǎng)家和研發(fā)企業(yè)之間形成了“無(wú)言的默契”。
然而，上述情況很有可能發(fā)生變化。由于氮化鎵材料可大幅度降低晶圓的缺陷（錯(cuò)位）密度，因此可以提高應(yīng)用終端的性能、效率，且遠(yuǎn)優(yōu)于碳化硅材料，所以，氮化鎵有望實(shí)現(xiàn)大范圍量產(chǎn)。如今，研發(fā)人員正在努力積累相關(guān)數(shù)據(jù)，以證實(shí)上述結(jié)論。日本大阪大學(xué)的森勇介教授位于上述研發(fā)活動(dòng)的最前沿。
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。
研發(fā)人員還比較了碳化硅和氮化鎵的“Baliga性能指數(shù)（半導(dǎo)體材料相對(duì)于硅的性能數(shù)值，即硅為1）”，4H-SiC為500，氮化鎵為900、效率極高。此外，碳化硅的絕緣破壞電場(chǎng)強(qiáng)度（表示材料的耐電壓特性）為2.8MV/cm，氮化鎵更高，為3.3MV/cm。一般情況下，低頻工作時(shí)的功耗損失是絕緣破壞電場(chǎng)的三次方，高頻工作時(shí)的功耗損失是絕緣破壞電場(chǎng)的2次方，成反比例關(guān)系，所以，氮化鎵的功率損耗更低（工作效率更高）。
那么，為什么在耐高電壓應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅的實(shí)用化早于氮化鎵呢？理由如下，在制作MOS FET時(shí)，碳化硅更易于形成二氧化硅（SiO2）、“氮化鎵晶圓面臨三大問(wèn)題點(diǎn)”（森教授）。（下圖1）
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)。
（圖片出自：日本大阪大學(xué)）
第一個(gè)問(wèn)題，由于 Bulk Wafer（氮化鎵體塊）的尺寸較小，因此之前僅能生產(chǎn)出低成本的晶圓產(chǎn)品，某些產(chǎn)品甚至無(wú)法滿(mǎn)足測(cè)試要求。一直以來(lái)，都僅能生產(chǎn)出2英寸晶圓，如今終于可以生產(chǎn)出4英寸晶圓。業(yè)界普遍認(rèn)為只有6英寸以上的大尺寸晶圓才可以滿(mǎn)足功率半導(dǎo)體的批量生產(chǎn)需求，所以如今還沒(méi)有達(dá)到可以量產(chǎn)的要求。另外，上文中提到的小型交流轉(zhuǎn)換器（AC Converter）所采用的氮化鎵功率半導(dǎo)體采用的晶圓如下，在最大尺寸為6英寸的硅（Si）襯底上形成氮化鎵層。但是，由于硅和氮化鎵的結(jié)晶常數(shù)（Lattice Constant）不同，因此氮化鎵層的缺陷密度較高、無(wú)法形成可以滿(mǎn)足耐高電壓、大電流的縱型FET，也無(wú)法制作高性能的橫型HEMT。
第二個(gè)問(wèn)題，作為結(jié)體塊式（Bulk）的氮化鎵晶圓本身質(zhì)量不高。如今的結(jié)晶塊晶圓的最大錯(cuò)位密度高達(dá)106/平方厘米，這種水平的密度水平是不適合功率半導(dǎo)體生產(chǎn)的。但是，2英寸晶圓的傾斜角（Off）的分布（是反映晶圓翹曲度的指標(biāo)）為0.2度，很難實(shí)現(xiàn)大尺寸化和低成本化。但是，上述低質(zhì)量的晶圓適合用于光學(xué)半導(dǎo)體的生產(chǎn)。不過(guò)，對(duì)于功率半導(dǎo)體而言，電流需要在晶圓的大部分區(qū)域流通，所以，錯(cuò)位缺陷成為了耐高電壓、電流量、生產(chǎn)良率低的主要原因。要適用于功率半導(dǎo)體，需要滿(mǎn)足以下錯(cuò)位密度要求：耐高電壓范圍需要為0.65～3.3kV，單個(gè)芯片（Chip）的電流量為100A以上，生產(chǎn)良率要達(dá)到90%（必須實(shí)現(xiàn)較低的錯(cuò)位缺陷、較低的翹曲度）。
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?xún)r(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
氮化鎵晶圓之所以面臨上述問(wèn)題的根本原因在于氮化鎵結(jié)晶的生長(zhǎng)方法。如今量產(chǎn)的體塊式（Bulk）氮化鎵晶圓的制作方法如下，在藍(lán)寶石襯底（Sapphire）上用一種名為HEPV（Hydride Vapor Phase Epitaxial，氫化物氣相外延法，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為：“HVPE”）的氣相外延法生成氮化鎵結(jié)晶。如果把藍(lán)寶石等用作結(jié)晶生長(zhǎng)的基礎(chǔ)材料，由于氮藍(lán)寶石材料與氮化鎵的結(jié)晶常數(shù)（Lattice Constant）不同，因此會(huì)發(fā)生大批量的錯(cuò)位缺陷。此外，利用“HVPE”，由于是在1000度的高溫下生成結(jié)晶的，所以在生長(zhǎng)后常溫冷卻時(shí)，整個(gè)晶圓會(huì)出現(xiàn)翹曲，出現(xiàn)傾斜角（Off）。
此外，有一種名為“氨熱法（Ammono-thermal）”的結(jié)晶方法，該方法可生成高質(zhì)量的結(jié)晶，不同于體塊式（Bulk）氮化鎵晶圓量產(chǎn)工藝中使用的“HVPE”法?！鞍睙岱ā弊鳛橐环N生成人工水晶結(jié)晶的方法，采用的是水熱合成法（已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用）。提高壓力容器內(nèi)氨的溫度和壓力，使其處于超臨界狀態(tài)，溶解氮化鎵多結(jié)晶，再在氮化鎵種晶（Seed Crystal）上沉淀出單晶。以氮化鎵晶種為基礎(chǔ)材料、并采用液相生長(zhǎng)法，可制作出高質(zhì)量的單結(jié)晶?！暗?，利用氨熱法，在結(jié)晶生長(zhǎng)過(guò)程中，一旦出現(xiàn)穩(wěn)定的表面，就會(huì)停止生長(zhǎng)?；谏鲜霈F(xiàn)象的存在，雖然可以制作4英寸晶圓，要想制作出更大尺寸的晶圓，還需要時(shí)間的積累?！保ㄉ淌冢?/p>
然而，以往無(wú)法制作出高質(zhì)量體塊式（Bulk）氮化鎵晶圓，近年來(lái)情況有了顯著改善。已經(jīng)確立了可以制造出高質(zhì)量、低成本體塊式（Bulk）氮化鎵晶圓的技術(shù)。日本大阪大學(xué)、豐田合成株式會(huì)社合作研發(fā)了一項(xiàng)可解決上述課題的新技術(shù)（下圖2），該技術(shù)融合了“Na Flux法（鈉助溶劑法，利用該方法生長(zhǎng)氮化鎵結(jié)晶）”和“Point Seed 法（點(diǎn)籽晶法，利用該方法實(shí)現(xiàn)大尺寸晶圓）”。
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。
（圖片出自：日本大阪大學(xué)）
“Na Flux（鈉助溶）法”指的是將鈉/鎵溶液暴露于氣壓為30一一40的氮?dú)庵?，將氮溶解于溶液，并使其成為飽和狀態(tài)，從而使氮化鎵結(jié)晶析出。這是日本東北大學(xué)山根久典教授于1996年研發(fā)出的技術(shù)。“Na Flux（鈉助溶）法”的特點(diǎn)是，即使晶種質(zhì)量較低，也可以在其表面形成高質(zhì)量的結(jié)晶。但是，僅靠該方法，雖然可以依靠一個(gè)小點(diǎn)形成完美的結(jié)晶，卻無(wú)法形成大尺寸結(jié)晶。于是，利用“Point Seed（點(diǎn)籽晶）法”，形成大尺寸的晶圓。即在大塊基材上大面積分布晶種，在結(jié)晶生長(zhǎng)過(guò)程中，分別合體，形成單結(jié)晶。
據(jù)森教授表示，利用上述方法，可以獲得適用于功率半導(dǎo)體量產(chǎn)的理想結(jié)晶，其錯(cuò)位密度為104/cm2以下，6英寸晶圓傾斜角分布為0.2度。此外，也已經(jīng)成功制成了6英寸體塊式（Bulk）氮化鎵襯底（該尺寸為全球最大）。而且，如果使用尺寸更大的基材、更多的晶種的話(huà)，還可以制作出10英寸晶圓，且生產(chǎn)量不會(huì)降低。
此外，還有另一種方法，即以體塊式（Bulk）氮化鎵襯底為晶種，使用“氨熱法”，可制作出高質(zhì)量、大尺寸的體塊式（Bulk）襯底（如下圖3）。針對(duì)上述方法，森教授指出：“成本堪比現(xiàn)有的碳化硅襯底，且可以實(shí)現(xiàn)較大尺寸?！比毡敬筅娲髮W(xué)和豐田合成株式會(huì)社等企業(yè)已經(jīng)參加日本環(huán)境省提出的“令和四年度 為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)碳中和，加速推進(jìn)應(yīng)用和普及零部件和材料”項(xiàng)目，近期，三菱化學(xué)株式會(huì)社（擁有“氨熱法”技術(shù)）也加入了該項(xiàng)目，諸多企業(yè)的加入將更有助于項(xiàng)目的實(shí)施和驗(yàn)證。
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。
（圖片出自：日本大阪大學(xué)）
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（下圖4）。以市場(chǎng)上銷(xiāo)售的氮化鎵襯底制成芯片的成品率僅為33%，而利用上述方法，則可使成品率大幅度提升至72%。此外，上述成果是基于實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)獲得的，未來(lái)還有很大提升余地。
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。
（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(chēng)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）。
圖5：功率半導(dǎo)體的性能和晶圓特性的關(guān)系。利用“OVPE法”，可降低晶圓的電阻。
（圖片出自：日本大阪大學(xué)）
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）
圖6：超低電阻、高質(zhì)量、大尺寸的體塊氮化鎵晶圓、以及相關(guān)應(yīng)用、模組的開(kāi)發(fā)計(jì)劃。
（圖片出自：日本大阪大學(xué)）
（文：半導(dǎo)體行業(yè)觀察 作者日經(jīng)XTECH）
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