氮化鎵是未來節能電動汽車和 5G 網絡的關鍵組成部分。Hexagem是一家位于隆德大學的初創公司，正在瑞典研究機構Rise 測試平臺 ProNano開發一種新的解決方案。該解決方案應有助于實現更大的電氣化和可持續的未來。Hexagem 首席執行官 Mikael Bj?rk 和 Rise 高級項目經理 Michael Salter 在接受 Power Electronics News 采訪時指出了這種合作的重要性，這將導致 Hexagem 的技術在未來的能源應用中得到實施。

“他們已經在研究實驗室中小規模地展示了他們的技術，但現在，他們正在我們的實驗室將工藝轉移到更大的晶圓尺寸上，以嘗試擴大技術規模，”Salter 說。

“ProNano 為我們提供的優勢是 Hexagem 可以使用最先進的設施和工具，特別是能夠生產 6 英寸晶圓的 MOCVD [金屬有機化學氣相沉積]，”Bj?rk 說。“通常情況下，這類工具很難讓初創公司自己融資。此外，Rise 人員在 GaN 材料、加工和表征方面擁有豐富的經驗。”

Hexagem 的 Mikael Bj?rk

崛起的邁克爾·索爾特

行業

隨著降低 CO 2?排放的社會壓力和法規的增加，從汽車到電信等行業部門正被推動投資于更高效的電力轉換和更多電氣化。傳統的硅基功率半導體技術，如絕緣柵雙極晶體管，在工作頻率和速度方面存在基本限制，以及高溫和低電流性能較差。高壓 Si FET 的頻率和高溫性能同樣受到限制。因此，寬帶隙半導體在許多應用中變得越來越流行。

GaN 功率半導體作為下一代高性能 EV 的關鍵部件，正獲得越來越多的關注，有助于減小尺寸和重量，同時提高效率。這些考慮解決了與范圍有關的問題。工程師可以使用 GaN 來創建比 Si 基系統更小、更輕 4 倍、能量損失少 4 倍的電力電子系統。零反向恢復可減少電池充電器和牽引逆變器的開關損耗，以及更高的頻率和更快的開關速率等優點。此外，降低開關導通和關斷損耗有助于減少用于 EV 充電器和逆變器等應用的電容器、電感器和變壓器的重量和體積。

氮化鎵晶圓

下一代節能半導體將有助于為可持續的未來創造新的解決方案。這一切都意味著減少 CO 2排放，從而從長遠來看改善全球變暖。許多機構的預測表明，到 2050 年，用電量將增加到 200 太瓦時以上，這一數字需要在設計層面予以關注。

半導體基板或晶圓的目標是控制電流，從而控制整個終端設備的性能。圓形晶圓被切割成郵票大小的碎片，封裝在包含數百萬個晶體管的微芯片中。

大多數半導體由硅制成，但正在開發不同的變體以滿足能源應用對更高效率的需求。例如，在一輛汽車中，需要 1000 多個芯片，而且這個數字很可能會增長。半導體的未來發展將允許通過輔助集成來包含更多晶體管。

Hexagem 使用 GaN-on-Si 晶圓開發半導體。Hexagem 對高質量 GaN-on-Si 的開發活動旨在降低未來應用的成本和規模優勢。他們正在尋找更高的額定電壓要求。Hexagem 表示，所提供的技術將通過利用現有基礎設施來降低成本。

GaN-on-Si技術在發展方面的口碑并不好。它有其挑戰，由于 GaN 和 Si 之間的原子尺度界面上的材料特性不匹配，因此生長 GaN-on-Si 并不容易。

“該技術的關鍵優勢和挑戰將是提供更低的缺陷密度和增加的 GaN 厚度，以實現 900 至 1,200 V 的功率器件，”Bj?rk 說。

制造組織越來越依賴他們同時設計產品和供應鏈的能力。GaN-on-Si 的主要優勢之一是它是在 Si 襯底上制造的，因此它現在為 150 毫米寬，并計劃擴大到 200 毫米，大多數反應器都可以容納兩者。

晶圓制造（來源：Rise）

缺陷

在半導體外延材料制造過程中，會產生位錯，即材料中的缺陷。半導體中的缺陷越多，晶圓上可以生產的可用器件就越少，從而增加了成本。此外，較差的材料界面會導致器件溝道電阻較高，從而導致在運行過程中浪費更多的能量，使芯片的能效降低。

“我們已經安裝并運行了一個 MOCVD 反應器，用于在硅晶片上生長 GaN，”Salter 說。“我們正在投資這種設備和基礎設施，這需要額外的設備和專業的工藝設施，如氣體和冷卻水。生長具有低缺陷密度的 GaN 是氮化鎵應用以及在沉積過程中控制材料質量的最大挑戰之一。在沉積過程中控制基礎材料和摻雜劑濃度允許在器件級實現低電阻器件接觸。這也會影響器件可以承受的擊穿電壓類型和電流水平。此外，在半導體材料和器件觸點之間具有良好的界面有助于優化制造器件的電氣性能。”

上升測試和演示設施 ProNano 提供各種基礎設施來幫助您加快啟動測試，而無需在昂貴的設備上花費大量資金。納米線是使用 ProNano 的 MOCVD 技術制造的，可在硅晶片上產生薄 GaN 層。晶圓在各個層面都經過處理和確認，以產生 GaN 納米線可以“生長”的圖案，然后結合在一起形成高質量的薄外延層。然后在電子顯微鏡下檢查晶片以檢查其質量。

據Hexagem稱，目前，GaN-on-Si半導體每平方厘米有1億個缺陷。“這將是 10 8 cm –2數量級的位錯密度；當今最先進的硅晶片是中高 10 8 cm –2，”Bj?rk 說。Hexagem 相信我們可以顯著提高材料質量，并很快接近每平方厘米 1000 萬個缺陷，從而超越競爭對手。

“缺陷通常是導致非狀態泄漏的位錯，”Bj?rk 說。“借助 Hexagem 技術，我們能夠分兩步減少位錯：首先，通過生長 GaN 納米線過濾 GaN 緩沖位錯，其次，通過將線仔細合并成平面 GaN 層來控制新位錯的形成。”

垂直晶圓

目標是擁有更大的晶圓或生產更厚的垂直 GaN 半導體。據 Hexagem 稱，如今 2 到 4 微米厚的層很常見。他們的目標是在 2022 年生產 10 微米厚的解決方案。

“更大的晶圓意味著通過增加每個晶圓的設備數量來提高規模經濟，”Bj?rk 說。“缺點是在較大晶圓上控制晶圓彎曲通常更困難。較厚的 GaN 層將使器件具有更高的額定電壓，這對于解決 900 至 1,200 V 器件市場非常重要。它還將支持垂直設備設計，這將帶來一些好處，例如將電壓縮放與設備占位面積分離。Hexagem 旨在為 1,200-V 器件設計開發高質量的 GaN-on-silicon，并將該技術授權給工業合作伙伴。”

Hexagem 技術允許電流在晶圓平面上垂直流動而不是水平流動，從而減小了組件的尺寸，但最重要的是，它們可以處理更高的電流和電壓。

半導體加工

如上所述，MOCVD 是由具有大帶隙的半導體材料制造晶體管的主要工藝。特定氣體（或蒸汽）在特定溫度和壓力下在 MOCVD 系統中流過基板表面。頂層以這種方式“發展”成晶體結構，一次一個原子層，跨越多個層。該技術被稱為外延或晶體生長。為了創建 3D 納米結構（例如納米線），可以在襯底的整個表面或襯底的選定部分上生長層。

外延層可以使用 MOCVD 工藝在不同材料的襯底上生長，例如硅、碳化硅、GaN、金剛石或藍寶石。材料具有不同程度的難于獲得很少的晶體缺陷。

接下來，通過半導體制造常見的附加處理步驟（例如光刻、蝕刻或金屬或絕緣體沉積）來創建晶片的晶體管和其他電子元件。最后，完成的晶圓被切割成郵票大小的小塊，封裝在電子包裝中，經過測試，然后沿著供應鏈發送到三星、沃爾沃、蘋果和愛立信等供應鏈，最后進入微處理器在手機或汽車中。

在硅上制造 GaN 晶圓的主要階段是襯底清洗，然后是在清潔環境中進行圖案生長，以及在圖案生長過程中進一步清潔襯底。下一步是通過 MOCVD 外延制造 GaN 半導體。根據特定的技術需要，將基板放入 MOCVD 室中，以生成不同組合的 GaN、AlGaN 或 InGaN 的晶體層。之后，使用電子顯微鏡檢查材料，并進行測試以驗證材料的導電性和其他性能。

審核編輯 黃昊宇