氮化镓，成本大降90%
日本企业OKI于2023年9月5日宣布，与信越化学（以下简称信越化学）联合开发了一项新技术，该技术将导致实现低成本垂直GaN（氮化镓）功率器件。该技术仅从“QST基板”（一种专用于GaN生长的复合材料基板）上剥离GaN功能层，并将其粘合到不同材料的基板上。如果采用新技术实现垂直GaN功率器件，与现有技术相比，将有可能将成本降低至十分之一左右。
GaN因其特性，作为高性能功率半导体材料而备受关注，近年来其开发和市场导入不断加速。GaN功率器件有两种类型：水平型（在硅晶圆上生长GaN晶体）和垂直型（原样使用GaN衬底）。使用硅片的卧式类型可以以相对较低的成本获得GaN的高频特性，但在需要超过650V的高击穿电压时不适合。另一方面，垂直型比水平型更适合高电压和大电流，但存在成本问题，例如GaN晶圆价格昂贵且直径较小，约为2至4英寸。
OKI和信越化学开发的新技术是利用OKI开发的“CFB（晶体薄膜键合）技术”分离在信越化学独特改进的QST衬底上生长的单晶GaN，并键合异种材料衬底。就是加入到的意思。这使得在GaN中实现垂直导电性并同时增加晶圆直径成为可能，“有助于社会上可实施的垂直GaN功率器件的实现和广泛使用。”
QST衬底是美国Qromis公司开发的专门用于GaN生长的复合材料衬底，信越化学于2019年与Qromis公司签订了许可协议。QST基板具有与GaN相同的热膨胀系数，可以抑制翘曲和裂纹。这一特性使得在8英寸或更大的晶圆上生长高击穿电压的厚膜GaN晶体成为可能，解决了直径增大的问题。
另一方面，OKI的CFB技术可以仅从QST基板上剥离GaN功能层，同时保持高器件特性。此外，GaN晶体生长所需的绝缘缓冲层已被去除，各种衬底可以通过允许“欧姆接触”（根据欧姆定律具有线性电流-电压曲线的电连接）的金属电极连接。它可以加入到。具体而言，除了硅以外，还可以与SiC（碳化硅）、GaN、GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟）等化合物半导体晶片、玻璃晶片等基板接合。OKI 解释说：“只要表面平整度与半导体晶圆相当，CFB 技术就可以进行粘合。”
两家公司表示，通过使用这些技术将GaN层键合到具有高散热性的导电衬底上，将有可能实现高散热性和垂直导电性。OKI表示，“两家公司的技术解决了两个问题，为垂直GaN功率器件的社会实施铺平了道路。如果我们能够将QST衬底上的单晶GaN与CFB技术相结合来实现垂直GaN，我们假设成本可以降低到十分之一左右。”
展望未来，信越化学计划向制造 GaN 器件的客户提供 QST 衬底和外延衬底，OKI 将通过合作和许可提供 CFB 技术。OKI 预计将于 2024 年开始向客户推出该技术。
信越化学目前拥有6英寸和8英寸QST基板系列。此外，他们正在利用有利于更大直径的材料特性开发 12 英寸版本，并计划在 2024 年分发样品。
OKI的CFB技术目前兼容6英寸设备，OKI解释说，“我们的目标是在未来支持8英寸设备，并正在进行准备工作，目标是在2025年开始研发。” 关于可支持的 GaN 层的厚度，他解释说：“目前，我们的记录厚度可达 7 μm。” OKI表示，“我们认为耐高压所需的厚度约为20μm，并且我们相信通过未来的开发可以实现这一目标。”
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垂直GaN的优势
与硅相比，氮化镓 (GaN)能够在更高的温度下工作并承受更高的电压。
与在非 GaN 衬底上制造的横向 GaN 器件相比，低缺陷密度体 GaN 衬底上的低缺陷密度外延层导致垂直功率器件在电压和热应力下表现出更高的可靠性。
横向 GaN-on-Si（或 GaN-on-SiC）器件结合了热膨胀系数 (CTE) 不匹配的材料，这会损害可靠性和性能。
垂直GaN能够在高击穿电压下工作，这使得垂直GaN能够为最苛刻的应用提供动力，例如数据中心服务器的电源以及电动汽车、太阳能逆变器、电机和高速列车中的功率转换应用。
垂直 GaN 器件旨在通过漂移层传导电流，漂移层位于晶体管的主体内部。因此，不存在因表面界面杂质捕获的电荷而产生动态 R DS (on) 变化的机制。栅源二极管的耗尽区延伸到沟道中控制漏极和源极之间的电流。在超过击穿电压的情况下，雪崩最初通过反向极化栅源二极管发生，随后导致雪崩电流增加栅源电压并且沟道打开并导通。
如果垂直氮化镓获得发展，基于其开发的这些器件的工作电压范围为 100 伏一直到 4,000 伏，并且可以以多个兆赫兹的开关频率进行开关。这些设备在结构上是三维的，因此它们是垂直的。如果你想要更高的电压，我们就生长更多的氮化镓。如果您想要更大的电流，我们可以增加设备的面积。因此，我们使用器件的所有三个维度来制作结场效应功率晶体管。
这些设备还具有雪崩特性，而雪崩特性是设备所需的一个非常重要的属性。这是设备的一种自我保护机制。因此，如果其两端的电压或通过其的电流出现峰值，它可以吸收这些电涌并在电涌事件发生之前继续像正常情况一样运行。
正因为拥有如此多优势，开发者正在规划采用垂直 GaN 器件为服务器和数据中心、电动汽车、太阳能逆变器以及 LED 驱动器供电的项目。垂直GaN实际上可以在高性能系统和具有成本竞争力的系统中发挥作用。
为了确保能够减小系统尺寸和成本，我们还必须使用简单且低成本的驱动程序。因此，我们使用标准硅 MOSFET 驱动器来驱动结型场效应晶体管或 JFET。顺便说一句，这些 JFET 是增强型的。因此，驾驶它们非常容易。您还需要能够在大于 1 兆赫兹的高开关频率下运行的控制器。
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