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新型功率器件材料:氧化镓与金刚石的研发成果情况

合明科技 👁 2070 Tags:晶圆切割氧化镓功率器件材料

虽然目前还处于研发阶段,但各国半导体企业都在争相布局氧化镓。不同的是,研究氧化镓功率元件并进行开发的主体并不是Cree、Rohm、ST、Infineon、Bosch、OnSemi等功率半导体和元器件龙头企业,而是初创企业。未来主要应用场景包括通信、雷达、航空航天、高铁动车、新能源汽车等领域的辐射探测领域的传感器芯片,以及在大功率和超大功率芯片。

今年4月,韩国30家半导体企业、大学以及研究所组建了碳化硅产业联盟,目的是为了应对急速增长的碳化硅、氮化镓、氧化镓等宽禁带半导体所引领的新型功率半导体市场。

在众多方法中,改进功率器件材料是当下行业热衷于做的一件事。从最初的Si到SiC/GaN,功率器件已经展现出了明显的效率转换提升优势。随着行业不断探索更多新型材料,功率器件将迎来更大的发展突破。


一、氧化镓商业化愈发临近


在后摩尔时代,具有先天性能优势的宽禁带半导体材料脱颖而出,以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体,凭借其大幅降低电力传输中能源消耗的显著优势,在功率器件和射频器件领域大放异彩,成为全球半导体行业的研究焦点。

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在氧化镓的研发方面,日本走在时代前列。
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日本东京国家信息通信技术研究所 (NICT)的Masataka Higashiwaki是第一个认识到β-Ga2O3在电源开关中潜力的人。2012年,他的团队报告了第一个单晶β-Ga2O3晶体管,令整个半导体器件界感到惊讶。他们制造的这种晶体管属于一种叫做金属半导体场效应晶体管的器件。那么,这种晶体管有多优秀呢?评估功率晶体管优劣的一个重要标准是“击穿电压”,也就是说,这个器件能在什么电压下阻止电流通过而不被破坏。Higashiwaki的团队创新制造的这种晶体管,其击穿电压高达250V以上,非常出色。作为对比,氮化镓(GaN)晶体管花了近二十年的研发,才实现了这个标准。

此后几年,日本不少公司都在研发氧化镓。其中日本的一家公司Novel Crystal Technology(NCT)是世界上最早开发、制造和销售功率半导体用氧化镓晶圆的公司之一,该公司成立于2015年,其技术就是基于田村株式会社、日本国立信息通信技术研究所(NICT)和东京农工大学在氧化镓的研究成果。
2023年7月28日,日本功率半导体巨头三菱电机集团宣布,投资了Novel Crystal Technology,用于加快研究开发高性能低损耗氧化镓(Ga2O3)功率半导体,为实现低碳社会做出贡献。早在2021年,Novel Crystal Technology就已成功量产4英寸氧化镓晶圆,并开始供货。去年该公司计划投资约20亿日元,为其工厂添加设备,到2025年,建成年产2万片4英寸的氧化镓晶圆生产线。而且该公司计划在2023年供应6英寸晶圆。
三菱电机希望将其长期积累的低功率损耗、高可靠性功率半导体产品设计和制造技术与Novel Crystal Technology公司的氧化镓晶圆制造技术相结合,加快开发卓越节能的氧化镓功率半导体。

二、金刚石的诸多挑战正在被攻克

如上文所述,金刚石对于半导体行业来说是一种很有前景的材料,但该技术要成为工业现实,仍需克服许多障碍。

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(一)晶圆切割:由于缺乏有效地将金刚石切成薄晶圆的技术,其应用受到限制。晶圆必须一张一张地合成,这使得制造成本对于大多数行业来说都过高。

现在,由千叶大学工程研究生院的Hirofumi Hidai教授带领的日本研究团队找到了切成薄晶圆的方法。这种基于激光的切割技术用于沿着最佳的晶体面整齐地切割金刚石,从而制造出平滑的晶片。为防止不必要的裂纹沿晶格扩散,研究人员开发了一种处理技术,将短激光脉冲集中在材料内的窄锥体积上。Hidai教授解释说:“集中的激光照射会将金刚石转化为密度低于金刚石的非晶碳。因此,被激光脉冲改变的区域会发生密度减小和裂纹形成。”
金刚石切片能够以低成本生产高质量的晶圆,对于制造金刚石半导体器件是必不可少的。因此,这项研究使我们更接近实现金刚石半导体在社会中的各种应用,例如提高电动汽车和火车的功率转换率。
(二)外延片:在制造金刚石器件所需的所有工业过程中,外延层的生长是最关键的过程之一,因为大部分电气性能取决于这些有源层的质量。
法国的一家名为Diamfab的初创公司,正在研究生产金刚石外延晶片。Diamfab是法国国家科学研究中心 (CNRS) 的附属机构。CNRS的宽带隙半导体团队 (SC2G) 30 年来一直致力于为具有挑战性的电子应用领域开发高质量合成金刚石。
Diamfab用甲烷来生产金刚石,甲烷是一种可以通过自然和生物手段生产且不受资源限制的气体。使用两种工艺来合成它:HPHT(高压高温)或 MPCVD(微波等离子体化学气相沉积)
通过独特的控制来合成和掺杂金刚石外延层,他们开发了利用微波产生的等离子体在受控温度和压力条件下合成和掺杂金刚石外延层的IP。这会将甲烷分子裂解成碳,然后碳在金刚石种子的表面上重新排列。同时,添加精确且受控数量的硼或氮以生长金刚石掺杂层并形成准备用于器件制造的高附加值晶圆。因此,金刚石掺杂层的堆叠被生长以形成高附加值的晶圆,为设备制造做好准备。
Diamfab瞄准的是金刚石在电动汽车市场中的应用。在汽车应用中,Diamfab晶圆可以制造重量减轻80%、结构更紧凑的电源转换器。在电网应用中,与硅相比,晶圆还可以更轻松地处理更高的电压,并将能量损失减少10倍。Diamfab 表示,预计十年内所有电动汽车都将采用金刚石材质。
此外,化学气相沉积 (CVD) 技术的进步也大大加速了金刚石的发展,这有望将金刚石晶圆实现4英寸。Diamfab公司越来越看到金刚石发展的契机,他们有一个明确的路线图,到2025年实现4英寸晶圆,作为大规模生产的关键推动因素。目标是在未来五到七年内增加产量。
(三)器件研发:总部位于东京的 Orbray Co Ltd和位于日本爱知县南山的汽车半导体研究公司 MIRISE Technologies Corp已开始合作开发未来在各种电动汽车中部署垂直金刚石功率器件所需的技术。
在研究合作中,Orbray将负责开发p型导电金刚石基板,而MIRISE将负责开发高压操作器件结构,以验证垂直金刚石功率器件的可行性。据悉,今年年初,日本佐贺大学教授Kazuki Yosda 和Orbray开发出了工作功率为每平方厘米 875 兆瓦的由金刚石制成的功率半导体,这是世界上输出功率值最高的半导体。


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三、功率半导体器件清洗:

针对各类半导体不同的封装工艺如功率器件QFN,为保证产品的可靠性,合明科技研发多款自主知识产权专利清洗剂,针对不同工艺及应用的半导体封装需要的精密清洗要求,合明科技在水基清洗方面开发了较为完整的水基系列产品,精细化对应涵盖从半导体封装到PCBA组件终端,包括有水基清洗剂和半水基清洗剂,碱性水基清洗剂和中性水基清洗剂等。具体表现在,在同等的清洗力的情况下,合明科技的兼容性较佳,兼容的材料更为广泛;在同等的兼容性下,合明科技的功率器件QFN清洗剂清洗的锡膏种类更多(测试过的锡膏品种有ALPHA、SMIC、INDIUM、SUPER-FLEX、URA、TONGFANG、JISSYU、HANDA、OFT、WTO等品牌;测试过的焊料合金包括SAC305、SAC307、6337、925等不同成分),清洗速度更快,离子残留低、干净度更好。合明科技专注电子制程精密清洗20多年经验,在水基清洗剂方面颇有心得,包括油墨水基清洗剂,环保清洗剂,半导体芯片封装水基清洗剂等数十款产品,多年来受到无数客户的青睐。我们有强大的售前技术指导和最贴心的服务,水基清洗,选择合科技,决不会让您失望!合明科技运用自身原创的产品技术,满足芯片封装工艺制程清洗的高难度技术要求,打破国外厂商在行业中的垄断地位,为芯片封装材料全面国产自主提供强有力的支持。以上便是功率器件的材料的演进与功率器件电子芯片清洗介绍介绍,希望可以帮到您!


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