日本企業(yè)OKI于2023年9月5日宣布，與信越化學(xué)（以下簡稱信越化學(xué)）聯(lián)合開發(fā)了一項新技術(shù)，該技術(shù)將導(dǎo)致實現(xiàn)低成本垂直GaN（氮化鎵）功率器件。該技術(shù)僅從“QST基板”（一種專用于GaN生長的復(fù)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(shù)實現(xiàn)垂直GaN功率器件，與現(xiàn)有技術(shù)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(dǎo)體材料而備受關(guān)注，近年來其開發(fā)和市場導(dǎo)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(xué)開發(fā)的新技術(shù)是利用OKI開發(fā)的“CFB（晶體薄膜鍵合）技術(shù)”分離在信越化學(xué)獨特改進(jìn)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(dǎo)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(fù)合材料襯底，信越化學(xué)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(shù)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(dǎo)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(dǎo)體晶圓相當(dāng)，CFB 技術(shù)就可以進(jìn)行粘合。”

兩家公司表示，通過使用這些技術(shù)將GaN層鍵合到具有高散熱性的導(dǎo)電襯底上，將有可能實現(xiàn)高散熱性和垂直導(dǎo)電性。OKI表示，“兩家公司的技術(shù)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?qū)ST襯底上的單晶GaN與CFB技術(shù)相結(jié)合來實現(xiàn)垂直GaN，我們假設(shè)成本可以降低到十分之一左右。”

展望未來，信越化學(xué)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(shù)。OKI 預(yù)計將于 2024 年開始向客戶推出該技術(shù)。

信越化學(xué)目前擁有6英寸和8英寸QST基板系列。此外，他們正在利用有利于更大直徑的材料特性開發(fā) 12 英寸版本，并計劃在 2024 年分發(fā)樣品。

OKI的CFB技術(shù)目前兼容6英寸設(shè)備，OKI解釋說，“我們的目標(biāo)是在未來支持8英寸設(shè)備，并正在進(jìn)行準(zhǔn)備工作，目標(biāo)是在2025年開始研發(fā)?！?關(guān)于可支持的 GaN 層的厚度，他解釋說：“目前，我們的記錄厚度可達(dá) 7 μm。” OKI表示，“我們認(rèn)為耐高壓所需的厚度約為20μm，并且我們相信通過未來的開發(fā)可以實現(xiàn)這一目標(biāo)?！?/p>

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垂直GaN的優(yōu)勢

與硅相比，氮化鎵 (GaN)能夠在更高的溫度下工作并承受更高的電壓。

與在非 GaN 襯底上制造的橫向 GaN 器件相比，低缺陷密度體 GaN 襯底上的低缺陷密度外延層導(dǎo)致垂直功率器件在電壓和熱應(yīng)力下表現(xiàn)出更高的可靠性。

橫向 GaN-on-Si（或 GaN-on-SiC）器件結(jié)合了熱膨脹系數(shù) (CTE) 不匹配的材料，這會損害可靠性和性能。

垂直GaN能夠在高擊穿電壓下工作，這使得垂直GaN能夠為最苛刻的應(yīng)用提供動力，例如數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的電源以及電動汽車、太陽能逆變器、電機(jī)和高速列車中的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用。

垂直 GaN 器件旨在通過漂移層傳導(dǎo)電流，漂移層位于晶體管的主體內(nèi)部。因此，不存在因表面界面雜質(zhì)捕獲的電荷而產(chǎn)生動態(tài) R DS (on) 變化的機(jī)制。柵源二極管的耗盡區(qū)延伸到溝道中控制漏極和源極之間的電流。在超過擊穿電壓的情況下，雪崩最初通過反向極化柵源二極管發(fā)生，隨后導(dǎo)致雪崩電流增加?xùn)旁措妷翰⑶覝系来蜷_并導(dǎo)通。

如果垂直氮化鎵獲得發(fā)展，基于其開發(fā)的這些器件的工作電壓范圍為 100 伏一直到 4,000 伏，并且可以以多個兆赫茲的開關(guān)頻率進(jìn)行開關(guān)。這些設(shè)備在結(jié)構(gòu)上是三維的，因此它們是垂直的。如果你想要更高的電壓，我們就生長更多的氮化鎵。如果您想要更大的電流，我們可以增加設(shè)備的面積。因此，我們使用器件的所有三個維度來制作結(jié)場效應(yīng)功率晶體管。

這些設(shè)備還具有雪崩特性，而雪崩特性是設(shè)備所需的一個非常重要的屬性。這是設(shè)備的一種自我保護(hù)機(jī)制。因此，如果其兩端的電壓或通過其的電流出現(xiàn)峰值，它可以吸收這些電涌并在電涌事件發(fā)生之前繼續(xù)像正常情況一樣運行。

正因為擁有如此多優(yōu)勢，開發(fā)者正在規(guī)劃采用垂直 GaN 器件為服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心、電動汽車、太陽能逆變器以及 LED 驅(qū)動器供電的項目。垂直GaN實際上可以在高性能系統(tǒng)和具有成本競爭力的系統(tǒng)中發(fā)揮作用。

為了確保能夠減小系統(tǒng)尺寸和成本，我們還必須使用簡單且低成本的驅(qū)動程序。因此，我們使用標(biāo)準(zhǔn)硅 MOSFET 驅(qū)動器來驅(qū)動結(jié)型場效應(yīng)晶體管或 JFET。順便說一句，這些 JFET 是增強(qiáng)型的。因此，駕駛它們非常容易。您還需要能夠在大于 1 兆赫茲的高開關(guān)頻率下運行的控制器。

編輯：黃飛