新型功率器件材料：氧化鎵與金剛石的研發(fā)成果情況

合明科技發(fā)布時間：2023-09-13 ?? 2906 Tags：晶圓切割氧化鎵功率器件材料

雖然目前還處于研發(fā)階段，但各國半導(dǎo)體企業(yè)都在爭相布局氧化鎵。不同的是，研究氧化鎵功率元件并進行開發(fā)的主體并不是Cree、Rohm、ST、Infineon、Bosch、OnSemi等功率半導(dǎo)體和元器件龍頭企業(yè)，而是初創(chuàng)企業(yè)。未來主要應(yīng)用場景包括通信、雷達、航空航天、高鐵動車、新能源汽車等領(lǐng)域的輻射探測領(lǐng)域的傳感器芯片，以及在大功率和超大功率芯片。

今年4月，韓國30家半導(dǎo)體企業(yè)、大學(xué)以及研究所組建了碳化硅產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，目的是為了應(yīng)對急速增長的碳化硅、氮化鎵、氧化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體所引領(lǐng)的新型功率半導(dǎo)體市場。

在眾多方法中，改進功率器件材料是當(dāng)下行業(yè)熱衷于做的一件事。從最初的Si到SiC/GaN，功率器件已經(jīng)展現(xiàn)出了明顯的效率轉(zhuǎn)換提升優(yōu)勢。隨著行業(yè)不斷探索更多新型材料，功率器件將迎來更大的發(fā)展突破。

一、氧化鎵商業(yè)化愈發(fā)臨近

在后摩爾時代，具有先天性能優(yōu)勢的寬禁帶半導(dǎo)體材料脫穎而出，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體，憑借其大幅降低電力傳輸中能源消耗的顯著優(yōu)勢，在功率器件和射頻器件領(lǐng)域大放異彩，成為全球半導(dǎo)體行業(yè)的研究焦點。

在氧化鎵的研發(fā)方面，日本走在時代前列。

日本東京國家信息通信技術(shù)研究所 (NICT)的Masataka Higashiwaki是第一個認識到β-Ga2O3在電源開關(guān)中潛力的人。2012年，他的團隊報告了第一個單晶β-Ga2O3晶體管，令整個半導(dǎo)體器件界感到驚訝。他們制造的這種晶體管屬于一種叫做金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的器件。那么，這種晶體管有多優(yōu)秀呢？評估功率晶體管優(yōu)劣的一個重要標(biāo)準(zhǔn)是“擊穿電壓”，也就是說，這個器件能在什么電壓下阻止電流通過而不被破壞。Higashiwaki的團隊創(chuàng)新制造的這種晶體管，其擊穿電壓高達250V以上，非常出色。作為對比，氮化鎵（GaN）晶體管花了近二十年的研發(fā)，才實現(xiàn)了這個標(biāo)準(zhǔn)。

此后幾年，日本不少公司都在研發(fā)氧化鎵。其中日本的一家公司Novel Crystal Technology（NCT）是世界上最早開發(fā)、制造和銷售功率半導(dǎo)體用氧化鎵晶圓的公司之一，該公司成立于2015年，其技術(shù)就是基于田村株式會社、日本國立信息通信技術(shù)研究所（NICT）和東京農(nóng)工大學(xué)在氧化鎵的研究成果。

2023年7月28日，日本功率半導(dǎo)體巨頭三菱電機集團宣布，投資了Novel Crystal Technology，用于加快研究開發(fā)高性能低損耗氧化鎵(Ga2O3)功率半導(dǎo)體，為實現(xiàn)低碳社會做出貢獻。早在2021年，Novel Crystal Technology就已成功量產(chǎn)4英寸氧化鎵晶圓，并開始供貨。去年該公司計劃投資約20億日元，為其工廠添加設(shè)備，到2025年，建成年產(chǎn)2萬片4英寸的氧化鎵晶圓生產(chǎn)線。而且該公司計劃在2023年供應(yīng)6英寸晶圓。

三菱電機希望將其長期積累的低功率損耗、高可靠性功率半導(dǎo)體產(chǎn)品設(shè)計和制造技術(shù)與Novel Crystal Technology公司的氧化鎵晶圓制造技術(shù)相結(jié)合，加快開發(fā)卓越節(jié)能的氧化鎵功率半導(dǎo)體。

二、金剛石的諸多挑戰(zhàn)正在被攻克

如上文所述，金剛石對于半導(dǎo)體行業(yè)來說是一種很有前景的材料，但該技術(shù)要成為工業(yè)現(xiàn)實，仍需克服許多障礙。

（一）晶圓切割：由于缺乏有效地將金剛石切成薄晶圓的技術(shù)，其應(yīng)用受到限制。晶圓必須一張一張地合成，這使得制造成本對于大多數(shù)行業(yè)來說都過高。

現(xiàn)在，由千葉大學(xué)工程研究生院的Hirofumi Hidai教授帶領(lǐng)的日本研究團隊找到了切成薄晶圓的方法。這種基于激光的切割技術(shù)用于沿著最佳的晶體面整齊地切割金剛石，從而制造出平滑的晶片。為防止不必要的裂紋沿晶格擴散，研究人員開發(fā)了一種處理技術(shù)，將短激光脈沖集中在材料內(nèi)的窄錐體積上。Hidai教授解釋說：“集中的激光照射會將金剛石轉(zhuǎn)化為密度低于金剛石的非晶碳。因此，被激光脈沖改變的區(qū)域會發(fā)生密度減小和裂紋形成?！?/section>

金剛石切片能夠以低成本生產(chǎn)高質(zhì)量的晶圓，對于制造金剛石半導(dǎo)體器件是必不可少的。因此，這項研究使我們更接近實現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體在社會中的各種應(yīng)用，例如提高電動汽車和火車的功率轉(zhuǎn)換率。

（二）外延片：在制造金剛石器件所需的所有工業(yè)過程中，外延層的生長是最關(guān)鍵的過程之一，因為大部分電氣性能取決于這些有源層的質(zhì)量。

法國的一家名為Diamfab的初創(chuàng)公司，正在研究生產(chǎn)金剛石外延晶片。Diamfab是法國國家科學(xué)研究中心 (CNRS) 的附屬機構(gòu)。CNRS的寬帶隙半導(dǎo)體團隊 (SC2G) 30 年來一直致力于為具有挑戰(zhàn)性的電子應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)高質(zhì)量合成金剛石。

Diamfab用甲烷來生產(chǎn)金剛石，甲烷是一種可以通過自然和生物手段生產(chǎn)且不受資源限制的氣體。使用兩種工藝來合成它：HPHT（高壓高溫）或 MPCVD（微波等離子體化學(xué)氣相沉積）

通過獨特的控制來合成和摻雜金剛石外延層，他們開發(fā)了利用微波產(chǎn)生的等離子體在受控溫度和壓力條件下合成和摻雜金剛石外延層的IP。這會將甲烷分子裂解成碳，然后碳在金剛石種子的表面上重新排列。同時，添加精確且受控數(shù)量的硼或氮以生長金剛石摻雜層并形成準(zhǔn)備用于器件制造的高附加值晶圓。因此，金剛石摻雜層的堆疊被生長以形成高附加值的晶圓，為設(shè)備制造做好準(zhǔn)備。

Diamfab瞄準(zhǔn)的是金剛石在電動汽車市場中的應(yīng)用。在汽車應(yīng)用中，Diamfab晶圓可以制造重量減輕80%、結(jié)構(gòu)更緊湊的電源轉(zhuǎn)換器。在電網(wǎng)應(yīng)用中，與硅相比，晶圓還可以更輕松地處理更高的電壓，并將能量損失減少10倍。Diamfab 表示，預(yù)計十年內(nèi)所有電動汽車都將采用金剛石材質(zhì)。

此外，化學(xué)氣相沉積 (CVD) 技術(shù)的進步也大大加速了金剛石的發(fā)展，這有望將金剛石晶圓實現(xiàn)4英寸。Diamfab公司越來越看到金剛石發(fā)展的契機，他們有一個明確的路線圖，到2025年實現(xiàn)4英寸晶圓，作為大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵推動因素。目標(biāo)是在未來五到七年內(nèi)增加產(chǎn)量。

（三）器件研發(fā)：總部位于東京的 Orbray Co Ltd和位于日本愛知縣南山的汽車半導(dǎo)體研究公司 MIRISE Technologies Corp已開始合作開發(fā)未來在各種電動汽車中部署垂直金剛石功率器件所需的技術(shù)。

在研究合作中，Orbray將負責(zé)開發(fā)p型導(dǎo)電金剛石基板，而MIRISE將負責(zé)開發(fā)高壓操作器件結(jié)構(gòu)，以驗證垂直金剛石功率器件的可行性。據(jù)悉，今年年初，日本佐賀大學(xué)教授Kazuki Yosda 和Orbray開發(fā)出了工作功率為每平方厘米 875 兆瓦的由金剛石制成的功率半導(dǎo)體，這是世界上輸出功率值最高的半導(dǎo)體。

三、功率半導(dǎo)體器件清洗：

針對各類半導(dǎo)體不同的封裝工藝如功率器件QFN，為保證產(chǎn)品的可靠性，合明科技研發(fā)多款自主知識產(chǎn)權(quán)專利清洗劑，針對不同工藝及應(yīng)用的半導(dǎo)體封裝需要的精密清洗要求，合明科技在水基清洗方面開發(fā)了較為完整的水基系列產(chǎn)品，精細化對應(yīng)涵蓋從半導(dǎo)體封裝到PCBA組件終端，包括有水基清洗劑和半水基清洗劑，堿性水基清洗劑和中性水基清洗劑等。具體表現(xiàn)在，在同等的清洗力的情況下，合明科技的兼容性較佳，兼容的材料更為廣泛;在同等的兼容性下，合明科技的功率器件QFN清洗劑清洗的錫膏種類更多(測試過的錫膏品種有ALPHA、SMIC、INDIUM、SUPER-FLEX、URA、TONGFANG、JISSYU、HANDA、OFT、WTO等品牌;測試過的焊料合金包括SAC305、SAC307、6337、925等不同成分)，清洗速度更快，離子殘留低、干凈度更好。合明科技專注電子制程精密清洗20多年經(jīng)驗，在水基清洗劑方面頗有心得，包括油墨水基清洗劑，環(huán)保清洗劑，半導(dǎo)體芯片封裝水基清洗劑等數(shù)十款產(chǎn)品，多年來受到無數(shù)客戶的青睞。我們有強大的售前技術(shù)指導(dǎo)和最貼心的服務(wù)，水基清洗，選擇合科技，決不會讓您失望！合明科技運用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù)，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求，打破國外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產(chǎn)自主提供強有力的支持。以上便是功率器件的材料的演進與功率器件電子芯片清洗介紹介紹，希望可以幫到您！

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