為何碳化硅比氮化鎵更早用于耐高壓應用？

目前，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等“WBG（Wide Band Gap，寬禁帶，以下簡稱為：WBG）”以及基于新型材料的電力半導體，其研究開發技術備受矚目。根據日本環保部提出的“加快推廣應用和推廣碳中和”的政策。日本大坂大學的森勇介教授，一直在從事高品質的半導體研究，這一次，我們就氮化鎵的研發情況、研究成果對未來的應用前景產生的影響，森教授進行了訪談。

目前，功率半導體的應用廣泛，其應用范圍也越來越廣。據報道，美國特斯拉公司的馬達驅動逆變器使用的是碳化硅半導體。另外，很多讀者都已經在電器市場上看到了使用了氮化鎵半導體的微型 AC 轉換器。采用寬禁帶材料制作的電力半導體，其內部電路在高壓運行時的電性能和效率要比傳統的硅材料高得多。

對于已被實際使用的碳化硅半導體和氮化鎵半導體來說，其耐受電壓（高于標稱電壓，用于保持可靠性的基礎電壓）的需求是不同的。例如，碳化硅耐電壓大于或等于1000 V，并且氮化鎵耐電壓小于1000 V。正是由于這些區別，使得功率半導體廠商與研究開發廠商之間產生了一種“無聲的默契”。但是，以上所說的改變是非常有可能的。因為氮化鎵可以極大地減少晶片的缺陷（錯位）密度，從而能夠改善應用終端的性能和效率，并且比碳化硅材料要好得多，因此，可以大規模生產。現在，研究和開發人員正致力于收集有關的資料來驗證以上的結論。森勇介教授，日本大坂大學，在以上研究和開發活動中處于領先地位。

?氮化鎵功率半導體雖然適用性極高，但依然面臨三項社會問題?

僅從物理特性來看，氮化鎵比碳化硅更適合做功率半導體的材料。研究人員還將碳化硅與氮化鎵的“Baliga特性指標（與硅相比，硅是1）相比，4H-SiC是500，而氮化鎵是900，效率非常高。另外，碳化硅具有2.8 MV/cm的絕緣失效電場強度，以及3.3 MV/cm的氮化鎵。通常，在低頻工作時，其功率損耗是絕緣失效電場的3倍，而在高頻時則是2次，與之相反，因此它具有更低的功耗（工作效率）。

那么，為何碳化硅比氮化鎵更早用于耐高壓應用？原因是，在 MOS場效應管的制造中，碳化硅更容易形成SiO2 (SiO2)，「氮化鎵晶片面臨三大難題」（森教授），如下圖所示）

? 圖1：日本大阪大學森勇介列舉的氮化鎵晶圓面臨的問題點。 ? ?

第一個問題是，因為氮化鎵材料（Bulk Wafer）的體積很小，所以以前只能制造低價的芯片，有些產品連測試都做不到。之前只能制造2寸的芯片，現在已經能制造4寸了。業內普遍認為，要大規模生產功率半導體，至少需要6英寸以上的芯片，因此目前還不能大規模生產。此外，上述用于小型 AC轉換器的氮化鎵功率半導體使用以下的晶片，其最大尺寸為6吋的 Si基板上。然而，由于硅和氮化鎵的晶體常數不同，所以其缺陷密度較高，無法形成能夠承受高壓、大電流的縱型 FET，以及高性能的橫向 HEMT。

第二個問題是，氮化鎵晶片是一種結塊狀（Bulk)，其自身的質量并不高。目前，晶片的最大錯位密度達到每平方厘米106，這樣的密度等級對于功率半導體來說并不適用。作為反映晶片翹曲性的指示器的2英寸晶片的傾角（Off）分布為0.2°，難以實現大尺寸和低成本。然而，以上所述的低品質晶片適用于制造光學半導體。但是，由于功率半導體的存在，電流必須要通過晶片的絕大部分區域流動，因此，出現了大量的錯位缺陷，從而導致了高電壓、高電流量和低良率的問題。為了應用于功率半導體，必須符合下列錯位密度的要求：高電壓的耐受范圍在0.65~3.3 kV之間，單片的電流大于100 A，而制造良率要在90%（錯位缺陷要低，翹曲度要低）。

第三個問題，晶圓價格高昂。如今，2英寸晶圓的價格為10萬日元一一20萬日元（約人民幣5220元一一10440元）。之所以價格如此高昂，理由如下：還沒有確立一項技術，可以以較高的良率生產出大尺寸晶圓。尺寸為6英寸、價格在10萬日元（約人民幣5220元）以下的晶圓才適用于功率半導體的量產。

?成功獲得適用于量產功率半導體的、高質量、大尺寸氮化鎵晶圓?

氮化鎵晶片存在以上問題的根源是其晶體生長方式。目前批量生產的 Bulk氮化鎵晶片采用以下方式制造，利用 HEPV （Hydride Vapor Phase Epitaxial）氣相外延法（下文簡稱“HVPE”），通過氣相外延法（HEPV）來制備氮化鎵晶體。若將藍寶石等作為晶體生長的基本原料，則會出現大量的錯位缺陷，這是因為氮化鎵與氮化鎵的晶體常數（Lattice Constant）不同。另外，使用“HVPE”，在1000℃溫度下形成晶體，在常溫條件下，晶片會發生彎曲，并產生傾斜角度。

另外，與體塊（Bulk）氮化鎵晶片批量生產過程中所采用的“HVPE”法相比，還有一種稱為“氨熱法”的結晶法，它能產生高品質的晶體。“氨熱法”是利用水熱法（已經實現了工業化生產）生產人造晶體的一種新工藝。將壓力容器中的氨氣溫度、壓力升高到超臨界狀態，將 NaAs多晶體溶解，然后將其沉積到 NaAs種晶（Seed Crystal）上。采用液相法，采用氮化鎵晶種作為基體材料，可以得到高品質的單晶。“不過，使用氨熱法，晶體生長到一定程度后，就會停止生長。根據以上現象，我們可以制造4吋的晶片，但要制造出更大的晶片，則需要一定的時間。”（森教授）

但是，在過去的幾年中，由于不能生產高品質的塊狀氮化鎵晶片，這種狀況在最近幾年得到了很大的提高。生產高質量、低成本的體塊（Bulk）氮化鎵芯片是一項技術。日本大坂大學和豐田公司聯合開發了一種新的技術，可以解決以上問題（如下圖所示)，這是一種將 Na Flux法（NaFlux工藝，通過這種工藝來生長 GaAs晶體）和 Point Seed法（采用點晶法制作大晶片）。

? ? 圖2：融合“Na Flux（鈉助溶）法”和“Point Seed（點籽晶）法”，使大尺寸體塊式（Bulk）氮化鎵晶圓的制作成為可能。 ?

Na Flux （Na Flux）工藝是將 Na/GaN溶液置于壓力30-40的氮氣中，在該溶液中溶解氮并使其飽和，由此導致氮化鎵晶體沉淀。此項技術由山根久典教授于日本東北大學開發，該技術由日本東北大學教授開發。Na Flux （Na Flux）工藝的特征在于，即使種子的品質很差，也能在其表面形成高品質的晶體。然而，單靠這種方法，只能通過一點微粒就能生成完全的晶體，而不能形成大的晶體。因此，采用點籽晶（Point Seed）方法，實現了大尺寸晶片的成型。即將晶種大面積分布于大塊狀基質上，并在晶體生長的同時，將其分離，形成單一晶體。

森教授說，采用以上方法，可以得到一種適合大規模生產功率半導體的晶粒，該晶片的錯位密度小于104/cm2，6英寸晶片傾斜角度分布為0.2度。另外，6英寸的塊狀氮化鎵基板（世界上最大的）也被成功地制造出來。另外，若是采用更大的基材、更多的晶種，也能在不影響產量的情況下，制造出10寸的晶片。

大尺寸的塊狀基板（如下圖所示）。森教授認為，與目前的碳化硅基板相比，其成本相當，而且能達到更大的尺寸。日本大坂大學、豐田公司等公司，都參與了日本環保部的“在第四個年頭，進一步促進碳中和，加快使用和推廣零件和材料”的計劃，最近，“氨熱法”技術的三菱化工公司也參與了這一計劃，許多公司的參與將對項目的執行和驗證起到更大的作用。

? 圖3：融合“Na Flux（鈉助溶）法”和“氨熱法”。“Na Flux（鈉助溶）法”的優勢是可使晶圓實現較大的尺寸、較高的質量；“氨熱法”的優勢是可提高晶圓質量。二者融合后，可以獲得比碳化硅成本更低的的氮化鎵晶圓。

?可成功提高元件的性能、良率?

據森教授表示，使用由“Na Flux（鈉助溶）法”和“Point Seed（點籽晶）法”制成的氮化鎵襯底后發現，氮化鎵元件的性能、良率普遍得到提高。日本大阪大學和松下集團合作，利用Na Flux（鈉助溶）法，以體塊（Bulk）襯底為基礎制作了縱型氮化鎵FET，并從芯片OFF性能的角度考察了成品率（如下圖所示）。采用目前市面上已有的氮化鎵基板制作的晶片，其產出率只有33%，而采用以上的工藝，其成品率可以提高到72%。另外，以上研究結果都是建立在實驗室基礎之上的，今后仍有很大的發展空間。

圖4：利用“Na Flux（鈉助溶）法”和“Point Seed（點籽晶）法”可制作出高質量、大尺寸的氮化硅襯底。

利用“Na Flux（鈉助溶）法”和“Point Seed（點籽晶）法”可制作出高質量、大尺寸的氮化硅襯底。（圖片出自：日本大阪大學）此外，研究人員已經開始利用“OVPE法（Oxide Vapor Phase Epitaxy，氧化物氣相外延法，簡稱為：OVPE，可用于制作超低電阻的晶圓，由日本大阪大學研發、松下集團推進其實用化）”，在由“Na Flux（鈉助溶）法”和“Point Seed（點籽晶）法”制成的晶種上生長氮化鎵結晶，以研發更高性能的縱型氮化鎵FET。制成的晶圓的電阻約為10-4Ωcm2，遠低于碳化硅晶圓（10-3Ωcm2左右）、錯位密度為104/cm2、氮化鎵膜厚超過1毫米。研究人員獲得了一塊晶圓，該晶圓有望實現縱型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）。與利用傳統的體塊式氮化鎵晶圓制成的芯片相比，實驗制作的二極管的ON電阻值降低了50%，縱型FET的OFF電阻值降低了15%（甚至更高）。