在全球最大的電力電子展 PCIM Europe 2023（2023 年 5 月 9 日至 12 日，德國）上，旨在以類似硅的成本實現垂直 GaN（氮化鎵）功率晶體管的歐洲財團 YESvGaN 介紹了其方案。

近年來，SiC（碳化硅）、GaN（氮化鎵）等寬帶隙（WBG）功率半導體的開發和市場導入速度加快，但與硅相比成本較高的問題依然存在。此外，GaN功率器件分為在硅片上形成GaN活性層的“水平型”和直接使用GaN襯底的“垂直型”。使用硅片的臥式可以以較低的成本獲得GaN的高頻特性，但不適合需要650V以上的高耐壓的情況。另一方面，垂直型比水平型更適合高電壓和大電流，但GaN晶圓價格昂貴，直徑小，約為2至4英寸。

YESvGaN 是一項于 2021 年啟動的歐洲研究項目，旨在通過展示一種新型垂直 GaN 功率晶體管來解決這些問題，該晶體管以與硅相當的成本實現垂直 WGB 晶體管的性能。YESvGaN 聯盟總部位于七個國家，包括羅伯特博世、意法半導體、Soitec、Siltronic、AIXTRON、X-FAB、德國研究機構 Fraunhofer IISB、費迪南德布勞恩研究所、比利時根特大學和德國大學等公司。西班牙巴倫西亞23。它由公司/組織組成，由歐盟研發計劃“ECSEL JU”和歐洲國家資助。

該研究正朝著實現兩種垂直特性的方向進行，同時獲得在硅或藍寶石襯底上異質外延生長 GaN 的成本優勢。

之所以不能采用GaN on Silicon（在硅襯底上生長GaN），首先是因為它需要絕緣緩沖層。藍寶石本身也是絕緣體。因此，該項目正在著手開發一種“垂直 GaN 薄膜晶體管”，它在 GaN 生長后去除器件區域正下方的緩沖層、硅和藍寶石襯底本身，并從背面直接連接到 GaN 層金屬觸點。目標是使用最大300mm的硅或藍寶石晶圓實現耐壓為650～1200V級的縱型GaN功率晶體管。據稱可以兼顧低成本和高耐壓。

在 YESvGaN 中，參與公司/組織正在按照以下步驟進行研究以實現這一目標。

為實現 650-1200V 級，在硅/藍寶石襯底上實現厚漂移層外延生長達 300mm 的技術開發；

最大1200V/100A導通電阻4mΩcm2垂直GaN功率晶體管的開發及與硅IGBT成本相同的工藝技術；

先進的鍵合和剝離技術可通過干法蝕刻去除硅襯底和緩沖層，通過激光剝離和背面功率金屬化實現藍寶石襯底剝離和歐姆接觸形成；

開發功率晶體管組裝和互連技術開發，相應的可靠性表征；

為開發的功率晶體管創建數據表并在多個應用演示機中演示系統效率改進；

在今年的 PCIM 上，多家參展公司/組織在其展位上介紹了他們的 YESvGaN 計劃。在羅伯特·博世展臺的一角，項目協調員克里斯蒂安·胡貝爾負責。

展位上，在硅和藍寶石上生長了二極管擊穿電壓超過500V的堆疊層，并在150mm GaN on Silicon晶圓上去除了硅，形成了4μm厚、最大直徑為5mm的GaN薄膜。介紹了其進展情況每一步，包括無缺陷形成和帶有肖特基二極管的垂直器件的演示實驗。展出的還有實際上從 GaN 器件區域去除了硅的晶圓。

Huber 先生說：“目前，最終的晶體管尚未完成。此外，我們正在進行研究，目的是證明這項技術是否可以實現。我們預計這將加速量產。垂直GaN。”

他們想用垂直GaN取代SiC！

一家基于專有的氮化鎵（“GaN”）加工技術開發創新型高壓功率開關元件的半導體器件公司Odyssey Semiconductor Technologies, Inc今天宣布，公司的垂直GaN產品樣品制作完成，并于 2023 年第一季度開始向客戶發貨。

該公司的首席執行官評論道：“我們積壓的客戶一直在熱切地等待這些垂直 GaN 產品樣品。我很自豪地報告說，制造已按計劃于 2022 年第四季度完成，現在正在準備樣品，以便在本季度晚些時候運送給客戶。”“我們將與這些初始客戶密切合作，以獲得有關他們產品功能的寶貴反饋。我們希望在 2023 年第二季度末與客戶達成產品開發協議。”他接著說。

CEO進一步指出，產品樣品制造的完成鞏固了 Odyssey 作為功率應用垂直 GaN 技術領導者的地位。它需要我們的重要知識產權來制造適用于客戶用例的產品。展望未來，Odyssey 繼續開發和保護所需的 IP，并將通過與主要客戶合作獲得更多優勢，這些客戶將提供更多見解以確保產品成功。

據報道，Odyssey 的垂直 GaN 方法將比碳化硅或橫向 GaN 提供比硅更大的商業優勢。垂直 GaN 在競爭技術無法達到的性能和成本水平上比碳化硅 (SiC) 具有 10 倍的優勢。

報道指出，650 伏部分是當今更大的市場，預計將以 20% 的復合年增長率增長。1200 伏產品細分市場預計將以 63% 的復合年增長率更快地增長，并將在本十年的下半年成為更大的市場。根據法國市場研究公司 Yole Group 的數據，到 2027 年，650 伏和 1200 伏功率設備市場預計將超過 50 億美元，復合年增長率為 40%。

從報道可以看到，Odyssey Semiconductor Technologies, Inc開發了一項專有技術，旨在讓 GaN 取代 SiC 作為新興的高壓功率開關半導體材料。公司總部位于紐約州伊薩卡，擁有并經營一個 10,000 平方英尺的半導體晶圓制造設施，配備 1,000 級和 10,000 級潔凈空間以及用于先進半導體開發和生產的工具。Odyssey Semiconductor 還提供世界一流的半導體器件開發和代工服務。

用1200V氮化鎵挑戰SiC？他們在路上

Odyssey Semiconductor Technologies 正在美國制造工作電壓為 650V 和 1200V 的垂直氮化鎵 (GaN) FET 晶體管樣品。

計劃于 2022 年第四季度提供用于客戶評估的器件產品樣品。這一舉措意義重大，因為全球有多個 1200V 垂直 GaN 項目，歐洲的 imec 和 Bosch 致力于該技術，而中國的 Enkris 生產適用于此類的 300mm 外延片設備。??

該公司表示，垂直結構將為 650 和 1200 伏器件提供更低的導通電阻和更高的品質因數，其導通電阻僅為碳化硅 (SiC) 的十分之一，并且工作頻率明顯更高。

它表示已獲得三個客戶的承諾，以評估這些第一代產品樣品。它正在研究產品樣品的進一步客戶參與。

“Odyssey 實現 1200 伏垂直 GaN 功率器件這一里程碑的重要性怎么強調都不為過，”Odyssey 首席執行官 Mark Davidson 說。“我們正在從工藝和材料研發到以橫向 GaN 實際無法達到的電壓提供產品，而經濟性硅和碳化硅無法達到。對于相同的應用，我們的垂直 GaN 產品將提供比碳化硅晶體管小近 10 倍的高功率轉換效率。”

“我們不只是制造測試結構。我們正在構建客戶需要的產品樣品。隨著客戶全面了解 Odyssey 功率器件的功能，Odyssey 將繼續履行新的產品樣品承諾。公司擁有獨特的專業知識和知識產權組合來保護它。通過我們在紐約伊薩卡的自己的鑄造廠，我們可以快速創新并控制我們向客戶供應產品的能力，”他說。

Odyssey 表示，其垂直 GaN 方法將提供硅、碳化硅和橫向 GaN 無法提供的更大改進。650 伏是當今更大的市場，預計將以 20% 的復合年增長率增長。1200 伏產品細分市場預計將以 63% 的復合年增長率更快地增長，并將在本十年的下半葉成為更大的市場。

根據收集市場統計數據的法國公司 Yole 的數據，到 2027 年，650 和 1200 伏電力設備市場預計將增長到約 50 億美元，復合年增長率為 40%。

IMEC的1200V氮化鎵

比利時的研究實驗室 imec 在 200 毫米晶圓上展示了突破性的氮化鎵 (GaN) 工藝，該工藝首次可以在高功率 1200V 設計中采用碳化硅 (SiC)。

與 Aixtron 的設備合作，imec 已經證明了 GaN 緩沖層的外延生長，可用于 200mm QST 襯底上的 1200V 橫向晶體管應用，硬擊穿電壓超過 1800V。

愛思強 G5+ C 全自動金屬有機化學氣相沉積 (MOCVD) 反應器在 imec 獲得成功認證，用于集成優化的材料外延堆疊。該實驗室之前演示了合格的增強模式高電子遷移率晶體管 (HEMT) 和肖特基二極管功率器件，已針對 100V、200V 和 650V 工作電壓范圍進行了演示，為大批量制造應用鋪平了道路。

然而，要實現高于 650V 的工作電壓受到了在 200mm 晶圓上生長足夠厚的 GaN 緩沖層的難度的挑戰。因此，迄今為止，SiC 一直是 650-1200V 應用的首選寬帶半導體，尤其是電動汽車和可再生能源中的逆變器。

“GaN 現在可以成為從 20V 到 1200V 的整個工作電壓范圍的首選技術。與本質上昂貴的基于 SiC 的技術相比，基于 GaN 的功率技術可在高通量 CMOS 晶圓廠的較大晶圓上加工，具有顯著的成本優勢，”imec 高級業務開發經理 Denis Marcon 說。

高擊穿電壓的關鍵在于對復雜外延材料堆棧的精心設計，并結合使用在 IIAP 計劃中與 Qromis 一起開發的 200 毫米 QST 基板。這些晶圓的熱膨脹與 GaN/AlGaN 外延層的熱膨脹非常匹配，為更高電壓操作的更厚緩沖層鋪平了道路。

“將 imec 的 1200V GaN-on-QST 外延技術成功開發到 Aixtron 的 MOCVD 反應器中是我們與 imec 合作的下一步，”Aixtron 首席執行官兼總裁 Felix Grawert 博士說。“在 imec 的設施中安裝 G5+C 后，imec 專有的 200 毫米 GaN-on-Si 材料技術在大批量制造平臺上獲得了認證，目標是高壓電源開關和射頻應用，使我們的客戶能夠實現快速通過預先驗證的可用 Epi-recipes 提高產量。憑借這一新成就，我們將能夠共同開拓新市場。”

正在處理橫向 e-mode 設備以證明設備在 1200V 下的性能，并且正在努力將該技術擴展到更高電壓的應用。除此之外，imec 還在探索在 200mm GaN-on-QST 晶圓上構建垂直 GaN 器件，以進一步擴展基于 GaN 的技術的電壓和電流范圍。

博世為汽車開發 1200V GaN 工藝

博世正在開發一種在歐洲生產的，用于汽車的 1200V 氮化鎵技術，該技術將與其碳化硅 (SiC) 器件并列。

這是計劃到 2026 年在其半導體部門投資 30 億歐元的計劃的一部分，這是擬議的歐洲微電子和通信技術 IPCEI 計劃的一部分。歐洲、中國和美國有幾個項目正在開發 1200V GaN 器件。

自 2021 年底以來，博世羅伊特林根工廠一直在大規模生產用于電動和混合動力汽車的碳化硅 (SiC) 芯片，它們已經幫助將運行范圍提高了 6%。

由于年增長率達到 30% 或更高，對 SiC 芯片的需求仍然很高，這意味著博世的訂單已滿。為了使這些電力電子產品更實惠、更高效，并解決短缺問題，博世也在探索使用其他類型的芯片。

博世管理委員會主席 Stefan Hartung 表示：“我們還在研究開發用于電動汽車應用的基于氮化鎵的芯片。” “這些芯片已經在筆記本電腦和智能手機充電器中找到了。”

博世表示，在將它們用于車輛之前，它們必須變得更加堅固，并且能夠承受高達 1200 伏的更高電壓。“像這樣的挑戰都是博世工程師工作的一部分。我們的優勢在于我們已經熟悉微電子很長時間了——而且我們對汽車也很熟悉。”

該計劃還包括在羅伊特林根和德累斯頓建造兩個新的開發中心，總成本超過 1.7 億歐元。此外，該公司將在未來一年斥資 2.5 億歐元，在其位于德累斯頓的晶圓廠新建一個 3,000 平方米的潔凈室空間。“我們正在為半導體需求的持續增長做準備——也是為了我們客戶的利益，”Hartung 說。“對我們來說，這些微型組件意味著大生意。”

編輯：黃飛

?