为何碳化硅比氮化镓更早用于耐高压应用？

目前，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等“WBG（Wide Band Gap，宽禁带，以下简称为：WBG）”以及基于新型材料的电力半导体，其研究开发技术备受瞩目。根据日本环保部提出的“加快推广应用和推广碳中和”的政策。日本大坂大学的森勇介教授，一直在从事高品质的半导体研究，这一次，我们就氮化镓的研发情况、研究成果对未来的应用前景产生的影响，森教授进行了访谈。

目前，功率半导体的应用广泛，其应用范围也越来越广。据报道，美国特斯拉公司的马达驱动逆变器使用的是碳化硅半导体。另外，很多读者都已经在电器市场上看到了使用了氮化镓半导体的微型 AC转换器。采用宽禁带材料制作的电力半导体，其内部电路在高压运行时的电性能和效率要比传统的硅材料高得多。

对于已被实际使用的碳化硅半导体和氮化镓半导体来说，其耐受电压（高于标称电压，用于保持可靠性的基础电压）的需求是不同的。例如，碳化硅耐电压大于或等于1000 V，并且氮化镓耐电压小于1000 V。正是由于这些区别，使得功率半导体厂商与研究开发厂商之间产生了一种“无声的默契”。但是，以上所说的改变是非常有可能的。因为氮化镓可以极大地减少晶片的缺陷（错位）密度，从而能够改善应用终端的性能和效率，并且比碳化硅材料要好得多，因此，可以大规模生产。现在，研究和开发人员正致力于收集有关的资料来验证以上的结论。森勇介教授，日本大坂大学，在以上研究和开发活动中处于领先地位。

 氮化镓功率半导体虽然适用性极高，但依然面临三项社会问题 

仅从物理特性来看，氮化镓比碳化硅更适合做功率半导体的材料。研究人员还将碳化硅与氮化镓的“Baliga特性指标（与硅相比，硅是1）相比，4H-SiC是500，而氮化镓是900，效率非常高。另外，碳化硅具有2.8 MV/cm的绝缘失效电场强度，以及3.3 MV/cm的氮化镓。通常，在低频工作时，其功率损耗是绝缘失效电场的3倍，而在高频时则是2次，与之相反，因此它具有更低的功耗（工作效率）。

那么，为何碳化硅比氮化镓更早用于耐高压应用？原因是，在 MOS场效应管的制造中，碳化硅更容易形成SiO2 (SiO2)，「氮化镓晶片面临三大难题」（森教授），如下图所示）

  图1：日本大阪大学森勇介列举的氮化镓晶圆面临的问题点。    

第一个问题是，因为氮化镓材料（Bulk Wafer）的体积很小，所以以前只能制造低价的芯片，有些产品连测试都做不到。之前只能制造2寸的芯片，现在已经能制造4寸了。业内普遍认为，要大规模生产功率半导体，至少需要6英寸以上的芯片，因此目前还不能大规模生产。此外，上述用于小型 AC转换器的氮化镓功率半导体使用以下的晶片，其最大尺寸为6吋的 Si基板上。然而，由于硅和氮化镓的晶体常数不同，所以其缺陷密度较高，无法形成能够承受高压、大电流的纵型 FET，以及高性能的横向 HEMT。

第二个问题是，氮化镓晶片是一种结块状（Bulk)，其自身的质量并不高。目前，晶片的最大错位密度达到每平方厘米106，这样的密度等级对于功率半导体来说并不适用。作为反映晶片翘曲性的指示器的2英寸晶片的倾角（Off）分布为0.2°，难以实现大尺寸和低成本。然而，以上所述的低品质晶片适用于制造光学半导体。但是，由于功率半导体的存在，电流必须要通过晶片的绝大部分区域流动，因此，出现了大量的错位缺陷，从而导致了高电压、高电流量和低良率的问题。为了应用于功率半导体，必须符合下列错位密度的要求：高电压的耐受范围在0.65~3.3 kV之间，单片的电流大于100 A，而制造良率要在90%（错位缺陷要低，翘曲度要低）。

第三个问题，晶圆价格高昂。如今，2英寸晶圆的价格为10万日元一一20万日元（约人民币5220元一一10440元）。之所以价格如此高昂，理由如下：还没有确立一项技术，可以以较高的良率生产出大尺寸晶圆。尺寸为6英寸、价格在10万日元（约人民币5220元）以下的晶圆才适用于功率半导体的量产。

 成功获得适用于量产功率半导体的、高质量、大尺寸氮化镓晶圆 

氮化镓晶片存在以上问题的根源是其晶体生长方式。目前批量生产的 Bulk氮化镓晶片采用以下方式制造，利用 HEPV （Hydride Vapor Phase Epitaxial）气相外延法（下文简称“HVPE”），通过气相外延法（HEPV）来制备氮化镓晶体。若将蓝宝石等作为晶体生长的基本原料，则会出现大量的错位缺陷，这是因为氮化镓与氮化镓的晶体常数（Lattice Constant）不同。另外，使用“HVPE”，在1000℃温度下形成晶体，在常温条件下，晶片会发生弯曲，并产生倾斜角度。

另外，与体块（Bulk）氮化镓晶片批量生产过程中所采用的“HVPE”法相比，还有一种称为“氨热法”的结晶法，它能产生高品质的晶体。“氨热法”是利用水热法（已经实现了工业化生产）生产人造晶体的一种新工艺。将压力容器中的氨气温度、压力升高到超临界状态，将 NaAs多晶体溶解，然后将其沉积到 NaAs种晶（Seed Crystal）上。采用液相法，采用氮化镓晶种作为基体材料，可以得到高品质的单晶。“不过，使用氨热法，晶体生长到一定程度后，就会停止生长。根据以上现象，我们可以制造4吋的晶片，但要制造出更大的晶片，则需要一定的时间。”（森教授）

但是，在过去的几年中，由于不能生产高品质的块状氮化镓晶片，这种状况在最近几年得到了很大的提高。生产高质量、低成本的体块（Bulk）氮化镓芯片是一项技术。日本大坂大学和丰田公司联合开发了一种新的技术，可以解决以上问题（如下图所示)，这是一种将 Na Flux法（NaFlux工艺，通过这种工艺来生长 GaAs晶体）和 Point Seed法（采用点晶法制作大晶片）。

    图2：融合“Na Flux（钠助溶）法”和“Point Seed（点籽晶）法”，使大尺寸体块式（Bulk）氮化镓晶圆的制作成为可能。  

Na Flux （Na Flux）工艺是将 Na/GaN溶液置于压力30-40的氮气中，在该溶液中溶解氮并使其饱和，由此导致氮化镓晶体沉淀。此项技术由山根久典教授于日本东北大学开发，该技术由日本东北大学教授开发。Na Flux （Na Flux）工艺的特征在于，即使种子的品质很差，也能在其表面形成高品质的晶体。然而，单靠这种方法，只能通过一点微粒就能生成完全的晶体，而不能形成大的晶体。因此，采用点籽晶（Point Seed）方法，实现了大尺寸晶片的成型。即将晶种大面积分布于大块状基质上，并在晶体生长的同时，将其分离，形成单一晶体。

森教授说，采用以上方法，可以得到一种适合大规模生产功率半导体的晶粒，该晶片的错位密度小于104/cm²，6英寸晶片倾斜角度分布为0.2度。另外，6英寸的块状氮化镓基板（世界上最大的）也被成功地制造出来。另外，若是采用更大的基材、更多的晶种，也能在不影响产量的情况下，制造出10寸的晶片。

大尺寸的块状基板（如下图所示）。森教授认为，与目前的碳化硅基板相比，其成本相当，而且能达到更大的尺寸。日本大坂大学、丰田公司等公司，都参与了日本环保部的“在第四个年头，进一步促进碳中和，加快使用和推广零件和材料”的计划，最近，“氨热法”技术的三菱化工公司也参与了这一计划，许多公司的参与将对项目的执行和验证起到更大的作用。

  图3：融合“Na Flux（钠助溶）法”和“氨热法”。“Na Flux（钠助溶）法”的优势是可使晶圆实现较大的尺寸、较高的质量；“氨热法”的优势是可提高晶圆质量。二者融合后，可以获得比碳化硅成本更低的的氮化镓晶圆。

 可成功提高元件的性能、良率 

据森教授表示，使用由“Na Flux（钠助溶）法”和“Point Seed（点籽晶）法”制成的氮化镓衬底后发现，氮化镓元件的性能、良率普遍得到提高。日本大阪大学和松下集团合作，利用Na Flux（钠助溶）法，以体块（Bulk）衬底为基础制作了纵型氮化镓FET，并从芯片OFF性能的角度考察了成品率（如下图所示）。采用目前市面上已有的氮化镓基板制作的晶片，其产出率只有33%，而采用以上的工艺，其成品率可以提高到72%。另外，以上研究结果都是建立在实验室基础之上的，今后仍有很大的发展空间。

图4：利用“Na Flux（钠助溶）法”和“Point Seed（点籽晶）法”可制作出高质量、大尺寸的氮化硅衬底。

利用“Na Flux（钠助溶）法”和“Point Seed（点籽晶）法”可制作出高质量、大尺寸的氮化硅衬底。（图片出自：日本大阪大学）此外，研究人员已经开始利用“OVPE法（Oxide Vapor Phase Epitaxy，氧化物气相外延法，简称为：OVPE，可用于制作超低电阻的晶圆，由日本大阪大学研发、松下集团推进其实用化）”，在由“Na Flux（钠助溶）法”和“Point Seed（点籽晶）法”制成的晶种上生长氮化镓结晶，以研发更高性能的纵型氮化镓FET。制成的晶圆的电阻约为10-4Ωcm²，远低于碳化硅晶圆（10-3Ωcm²左右）、错位密度为104/cm²、氮化镓膜厚超过1毫米。研究人员获得了一块晶圆，该晶圆有望实现纵型FET。与碳化硅基的纵型MOS FET相比，在性能方面，纵型FET具有更高的潜力（下图5）。与利用传统的体块式氮化镓晶圆制成的芯片相比，实验制作的二极管的ON电阻值降低了50%，纵型FET的OFF电阻值降低了15%（甚至更高）。

在日本环境省的项目中，为实现在电动汽车驱动逆变器中的应用，日本大阪大学着力研发具有超低电阻、高质量、大尺寸的体块氮化镓衬底以及相关其他产品、模组。（下图6）

图6：超低电阻、高质量、大尺寸的体块氮化镓晶圆、以及相关应用、模组的开发计划。（图片出自：日本大阪大学）

编辑：黄飞