使用GaN（氮化镓）的功率半导体作为节能/低碳社会的关键器件而受到关注。两家日本公司联手创造了一项新技术，解决了导致其全面推广的问题。OKI 和 Shin-Etsu Chemical 开发了一项新技术，可以以比传统技术低 90% 的成本制造“垂直 GaN”功率器件。

两家公司开发的新技术采用OKI开发的“CFB（晶体薄膜接合）技术”来剥离“QST基板”上生长的单晶GaN，“QST基板”是信越化学专门针对GaN专门改进的复合材料基板生长，粘合到不同的材料基材上。这使得能够以低成本同时实现垂直GaN导电性和大直径晶圆，并“有助于垂直GaN功率器件在社会上的实现和普及。” 两家公司于 2023 年 9 月宣布了这项技术，并在 10 月 5 日的新闻发布会上，两家公司的代表解释了细节和未来前景。

低成本高品质厚膜GaN

对于在传统硅衬底上形成GaN的硅基GaN来说，硅和GaN的热膨胀系数显着不同，导致由于拉应力而导致较大的翘曲。QST衬底具有与GaN相匹配的热膨胀系数，可以减少翘曲并抑制裂纹，从而可以外延生长大直径、高质量的厚膜GaN。据山田先生介绍，该公司已经实现了20μm以上的高质量GaN外延生长。山田先生解释说：“通过使用多种技术，我们已经实现了约 5 x 106 的缺陷密度。换句话说，可以将缺陷密度降低到普通硅基 GaN 的约 1/1000。”

此外，由于热膨胀系数与GaN的热膨胀系数相匹配，因此还可以简化缓冲层。如下图所示，在生长6μm GaN层的情况下，使用硅衬底时，GaN层的厚度可以在一半的生长时间内大约增加一倍。山田先生表示：“可以提高外延设备的产量并降低成本。”

此外，在硅基GaN的情况下，需要较厚的衬底来抑制翘曲（对于6μm的GaN生长，需要1mm或以上的厚度），并且使用专门设计的半导体器件。尺寸可与符合SEMI和JEITA标准的基板厚度一起使用，因此无需修改或改进设备，并且“可以按原样使用一般硅工艺”。此外，QST基板具有陶瓷芯，直径可以做得更大，信越化学已经拥有最大8英寸的产品阵容。山田先生表示：“我们的 8 英寸 QST 衬底的成本与 2 英寸 GaN 衬底的成本大致相同。换句话说，在使用 QST 衬底制造器件时，您可以一次制造大约 16 倍的器件，这显着降低成本。“降低成本是可能的。” 该公司还正在开发 300 毫米（12 英寸）QST 基板，并计划于 2024 年开始提供样品。

QST衬底的其他特点包括它已经被用于各种GaN器件中，并且与OKI的CFB技术高度兼容。


一个将改变行业力量平衡的突破

OKI的CFB技术由OKI创新业务开发中心CFB开发部设备应用团队经理谷川健一进行了讲解。

CFB技术是OKI的专有技术，可从各种基材上剥离功能层，并利用分子间力将其粘合到不同材料制成的基材上。它最初是为了减小公司打印机中安装的打印头 LED 阵列的尺寸和成本而开发的。具体而言，将由化合物半导体制成的LED晶体薄膜剥离并直接粘合到由硅制成的驱动IC上。

据该公司介绍，CFB技术于2006年投入实际应用，在其打印机业务中出货量已达1000亿点，但迄今为止其使用仅限于自有产品。与此同时，在2022年7月左右，他偶然发现了信越化学的QST衬底上的GaN，这导致了结合QST衬底和CFB技术的新技术的开发。OKI 创新业务开发中心 CFB 开发经理 Takato Suzuki 表示：“我们听到这个故事的那一刻，立即确信两家公司联合开发的技术将成为一项突破，彻底改变功率半导体行业。”


“基材可回收”新技术详情

两家公司宣布的新技术涉及在 QST 衬底上生长 GaN 层，然后仅剥离 GaN 功能层并将其沉积在各种其他衬底上以创建“欧姆接触”（根据欧姆定律的线性电流）它们通过金属层（例如钛铝）进行粘合，从而实现电粘合（具有电压曲线）。此时，还可以去除缓冲层和硅(111)，从而可以实现垂直导通。如上所述，8英寸QST衬底与2英寸GaN衬底的价格大致相同，因此采用新技术制造垂直GaN功率器件将比传统GaN on GaN功率器件成本更低，该公司声称可以将这一数字减少到十分之一以下。

此外，即使使用CFB技术去除GaN功能层后，QST衬底也可以通过一定的处理重新用作QST衬底，尽管它不会保持完整。目前正在开发回收该板的技术，他表示希望如果实现重复利用，将有可能进一步降低成本。

CFB技术可以粘合到各种基材上，只要它们具有与半导体晶圆相当的表面平整度。具体而言，除了硅以外，还可以与SiC、GaN、GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)等化合物半导体硅片、玻璃硅片等基板接合。

OKI的CFB技术目前与6英寸显示器兼容。在本次发布会上，他们推出了将GaN功能层粘合到整个6英寸晶圆上的实际产品。谷川先生表示，虽然成品率仍然较低，但他说：“（CFB技术流程）涉及剥离、运输和粘贴，但最困难的部分是剥离部分。设计需要吸收内部的变化。” “但是，如果我们将这种剥离方法发挥到极致，就有可能使其适应大规模生产。” 该公司还解释说，他们正在“准备支持 8 英寸，目标是在 2025 年开始研发”。关于可支持的 GaN 层厚度，该公司表示，“目前，我们的记录厚度可达 7 μm。” 要实现 1800V 或更高的高击穿电压，需要约 20 μm 的厚度，但该公司表示，“我们相信通过未来的开发可以实现这一点。”

在比较使用 QST×CFB 技术实现的垂直 GaN 功率器件和 GaN on GaN 器件的特性时，据说“从缺陷密度来看，我们的（基于 QST×CFB 技术的器件）约为5×10 6 ，而缺陷密度约为5×10 4 。因此，虽然目前无法匹配特性，但在成本方面具有很大优势。


车用GaN处于验证阶段

基于GaN-on-GaN技术，NexGen已经开发了700V/1200V垂直GaN功率半导体器件，并于今年2月宣布工程样品的可用性，预计今年第三季度开始全面生产。NexGen表示，目前1200V、1Ω 垂直GaN e-mode Fin-jFETs已成功在1.4kV额定电压下实现超1 MHz开关频率，对于持续提升电动汽车的性能、可靠性及效率来说具有重要意义。

GaN在低压消费电子市场经历了高速发展期，已开始迈进相对的成熟稳定发展期，但在未来一段时间内，消费电子市场仍将是GaN市场的主要驱动引擎。

中长期而言，GaN更大的发展空间在中高压功率半导体市场，全球厂商目前均已开始着眼于拓展以数据中心为代表的工业应用市场和电动汽车市场等中大功率场景，但目前GaN因可靠性问题，在这些领域大多处于产品研发和验证阶段，成长速度较为缓慢。

就电动汽车应用来看，据TrendForce集邦咨询分析师龚瑞骄观察，车载雷达GaN产品是首先量产的产品，例如，英诺赛科的GaN器件已成功用于车载激光雷达场景，在主逆变器、车载充电器等其他高压场景，GaN落地应用还面临一些难题，总体来说，GaN当下处于上车验证阶段，长远可期。

根据TrendForce集邦咨询《2023 GaN功率半导体市场分析报告 - Part1》显示，GaN预计2025年左右将小批量渗透到低功率OBC和DC-DC中，并预计到2030年，汽车OEM或考虑将GaN技术引入牵引逆变器。

回到垂直GaN这项技术上，从衬底材料的一致性和产品的电压范围来看，NexGen研发的技术和产品都相对符合车规级应用的严苛要求，对于推动GaN上车有着积极的影响。

实际上，除了NexGen以外，美国还有另外一家厂商Odyssey Semiconductor Technologies Inc也在专注于开发垂直GaN器件，该公司今年1月宣布650V、1200V GaN垂直产品样品如期在去年Q4完成开发，将从今年Q1开始送样客户。而且，据Odyssey称，垂直GaN性能比Si、SiC及水平GaN都高，可为高压电机、太阳能电池板和电动汽车中的下一代800V电池组等电源开关应用带来显著的性能提升效果。


新材料 ，未来可期

除了在硅、SiC和GaN上的努力。诸如氧化镓和金刚石等新的功率半导体材料也是业界正在攻坚的方向。在新材料的探索上，日本一直处于领先的地位，日本有很多企业在功率半导体、高频元件等领域拥有丰富的生产实绩。

金刚石在禁带宽度、电子迁移度、热传导率等诸多方面远远比SiC和GaN等半导体材料出色，也被誉为是“终极半导体材料”。不仅是半导体，金刚石也可应用于量子传感器。

日本的EDP株式会社和Orbray株式会社等日本公司都在积极推进金刚石材质的晶圆业务。其中，“Orbray”研发了一种以蓝宝石（Sapphire）为衬底，异质外延生长（Heteroepitaxial Growth）金刚石晶圆的生产方法，如今已经成功制造出直径为2英寸的晶圆。

此外，日本初创企业日本早稻田大学孵化出了一家以“实现金刚石半导体实用化”为业务目标的初创型企业Power Diamond Systems，意图将金刚石半导体行业的先驱一一川原田教授的研发成果推向实用化。川原田教授曾利用金刚石半导体的基础技术（氢终端表面），研发了金刚石场效应晶体管（FET），并为业界熟知。

日本电子设备产业新闻的报道指出，如今金刚石半导体已经开始从实验室开始迈向实用化。但要真正普及推广金刚石半导体的应用，依然需要花费很长的时间，不过已经有报道指出，最快在数年内，将会出现金刚石材质的半导体试作样品。

随着越来越多的日本企业和大学机构对金刚石和氧化镓等新材料的探索。相信将为未来的功率功率半导体器件的发展，提供更多的发展空间。

再一个极有潜力的材料是氧化镓，凭借其在接近5电子伏特的宽带隙，氧化镓领先GaN（3.4eV）一英里，与硅（1.1eV）相比，领先优势更是大到一个马拉松。在对半导体至关重要的五个特性中，高临界电场强度是β-氧化镓的最大优势。氧化镓还可以通过称为掺杂的过程使其导电性更高。这有助于打造高压开关，也可能意味着可以基于其设计功能强大的RF设备。

2023年4月，日本的Novel Crystal Technology公司正在致力于β-Ga2O3肖特基势垒二极管的商业化开发。在日本新能源产业技术总合开发机构(NEDO)的推动下，目前也已成功地进行了导入沟槽结构(Trench Structure)之耐压1,200V、低功耗氧化镓肖特基二极管的实证。

早在2021年，Novel Crystal Technology成功量产4吋氧化镓晶圆，已经于今年开始供应客户晶圆。此外，Novel Crystal Technology还计划在2023年供应6吋晶圆。2021年，Novel Crystal Technology计划投资约为20亿日元，向其公司工厂添加设备，到 2025 年，建成年产 20,000 片 100mm（4 英寸）氧化镓 (Ga2O3) 晶圆生产线。

关于氧化镓的研发，国内也已取得突破。3月14日，西安邮电大学宣布，该校陈海峰教授团队日前成功在8英寸硅片上制备出了高质量的氧化镓（GaO）外延片；此前在2月底，中国电子科技集团有限公司（中国电科）宣布，中国电科46所成功制备出我国首颗6英寸氧化镓单晶，达到国际最高水平。


结语

无论是对现有硅基功率半导体的结构创新，还是垂直GaN的突破，以及金刚石和氧化嫁等更新材料的探索，都是为了能够为行业提供更优良的解决方案。随着科技的不断进步和需求的增长，功率半导体的突破将为电子设备和能源系统带来巨大的变革和提升。