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三菱电机@@投资@@Novel Crystal Technology，加速开发@@氧化镓@@功率半导体@@@@

judy — Wed, 02 Aug 2023 03:42:17 +0000

加速研究开发@@性能卓越的功率半导体@@为实现低碳社会做出贡献@@@@

三菱电机@@集团近日@@@@@@（2023年@@7月@@28日@@）宣布@@，已投资日@@本氧化镓@@晶圆开发@@和销售企业@@Novel Crystal Technology，今后将加快研究开发@@高性能低损耗氧化镓@@功率半导体@@@@，为实现低碳社会做出贡献@@。

Novel Crystal Technology是世界@@上@@最早开发@@@@、制造和销售功率半导体@@用@@氧化镓@@晶圆的公司之一@@，拥有三菱电机@@制造氧化镓@@功率半导体@@产品所需的晶圆制造技术@@，是氧化镓@@晶圆领域的领军企业@@。

三菱电机@@通过生产硅@@（Si）和碳化硅@@(SiC)半导体@@，持续为电力电子产品的高节能化做出贡献@@。近年@@来@@，作为第三代半导体@@材料的碳化硅@@(SiC)和氮化镓@@@@(GaN)取得了长足发展@@，而氧化镓@@@@(Ga2O3)有望实现更高的击穿电压@@和更低的功率损耗@@，因而备受期待@@。

三菱电机@@希望将其长期积累的低功率损耗@@、高可靠性功率半导体@@产品设计和制造技术与@@Novel Crystal Technology公司的氧化镓@@晶圆制造技术相结合@@，加快开发@@卓越节能的氧化镓@@功率半导体@@@@。

关于三菱电机@@@@

三菱电机@@创立于@@1921年@@，是全球知名@@的综合性企业@@。在@@2022年@@《财富@@》世界@@500强排名@@中@@@@，位列@@351名@@。截止@@2022年@@3月@@31日@@的财年@@@@，集团营收@@44768亿@@日@@元@@（约合美元@@332亿@@）。作为一家技术主导型@@企业@@，三菱电机@@拥有多项专利技术@@，并凭借强大的技术实力和良好的企业信誉在@@全球的电力设备@@、通信设备@@、工业自动化@@、电子元器件@@@@、家电等市场占据重要地位@@。尤其在@@电子元器件@@@@市场@@，三菱电机@@从事开发@@和生产半导体@@已有@@60余年@@@@。其半导体@@产品更是在@@变频家电@@、轨道牵引@@、工业与新能源@@、电动汽车@@、模拟@@/数字通讯以及有线@@/无线通讯等领域得到@@了广泛的应用@@@@。

氧化镓@@半导体@@器件@@@@，中@@国再获重要进展@@

judy — Wed, 14 Dec 2022 02:06:54 +0000

近日@@@@，在@@世界@@顶级的半导体@@和电子器件@@技术论坛@@IEEE IEDM上@@，中@@国科大国家示范性微电子学院龙世兵教授课题组两篇关于氧化镓@@器件@@的研究论文@@（高功率氧化镓@@肖特基二极管@@@@@@和氧化镓@@光电探测器@@@@）成功被大会接收@@，这也是中@@国科大首次以第一作者单位在@@@@IEEE IEDM上@@发表论文@@。

高功率氧化镓@@肖特基二极管@@@@@@

如@@何开发@@出有效的边缘终端结构@@，缓解肖特基电极边缘电场是目前氧化镓@@肖特基二极管@@@@研究的热点@@。由于氧化镓@@@@P型@@掺杂目前尚未解决@@，PN结相关的边缘终端结构一直是难点@@。该@@工作基于氧化镓@@异质@@PN结的前期研究基础@@，将异质结终端扩展结构成功应用@@于氧化镓@@肖特基二极管@@@@@@。

该@@研究通过合理设计优化@@JTE区域的电荷浓度@@，确保不影响二极管@@正向特性的同时最大化削弱肖特基边缘电场@@，从而有效提高器件@@的耐压能力@@。

优化后的器件@@实现了@@2.9mΩ·cm2的低导通电阻和@@2.1kV的高击穿电压@@@@，其功率品质因数高达@@1.52GW/cm2。此外@@，利用@@该@@优化工艺成功制备并封装了大面积的氧化镓@@肖特基二极管@@@@@@，器件@@正向偏压@@2V下@@电流密度达到@@@@180A/cm2，反向击穿电压@@高达@@1.3kV。

图@@1结终端扩展氧化镓@@肖特基二极管@@@@@@。（a）器件@@结构示意图@@@@。（b）具有不同@@JTE区域电荷浓度的器件@@击穿特性比较@@。（c）封装器件@@反向恢复特性测试电路@@。（d）与已报道的氧化镓@@肖特基二极管@@@@的性能比较@@。

氧化镓@@光电探测器@@

光电探测器在@@目标跟踪@@、环境监测@@、光通信@@、深空探索等诸多领域发挥着越来越重要的作用@@@@。响应度和响应速度是光电探测器的两个关键的性能参数@@，然而@@这两个指标之间存在@@着制约关系@@，此消彼长@@。

由于缺乏成熟的材料缺陷控制技术@@，该@@问题在@@以氧化镓@@材料为代表的超宽禁带半导体@@探测器中@@尤为突出@@。龙世兵教授团队通过引入额外的辅助光源@@实现对@@向光栅@@@@（OPG）调控方案@@（图@@2a），来缓解上@@述制约关系@@。

该@@OPG方案下@@的@@Ga2O3/WSe2结型@@场效应晶体管探测器在@@目标光@@（深紫外@@）照射下@@表现出负向光栅效应@@（NPG），器件@@的阈值电压@@往负向移动@@（图@@2b）；与之相反@@，辅助光源@@（可见光@@）照射使器件@@表现出正向光栅效应@@（PPG），器件@@的阈值电压@@往正向移动@@；在@@目标光及辅助光同时照射下@@@@，器件@@整合了正@@、负对@@向光栅@@效应@@，但总体表现为阈值电压@@朝负向移动@@。OPG方案有效抑制器件@@内严重的持续光电导效应@@，器件@@的响应速度明显提升@@（图@@2c）。

此外@@，如@@图@@@@（2d）所示@@，OPG调控方案@@中@@引入的辅助性可见光@@对@@器件@@的光@@/暗电流比和响应度等关键指标几乎不产生影响@@。最终@@，当@@OPG方案中@@的可见光@@常开@@，在@@仅牺牲@@10.4%的响应度的情况下@@即实现了@@>1200倍响应速度的提升@@，成功削弱了响应度和响应速度之间的制约关系@@。

图@@2对@@向光栅@@（OPG）光电探测器概念及基本特性@@

特别地@@，当@@通过反馈电路控制辅助光源@@仅在@@器件@@响应的下@@降沿触发@@，将在@@无响应度牺牲的情况下@@实现响应速度的数量级提升@@。该@@工作提出了一种光电探测器芯片内千万像素共享一颗辅助@@LED即可缓解响应度与响应速度之间的制约关系的策略@@，对@@光电探测芯片综合性能的提升有重要的参考意义@@。（来源@@：中@@国科学技术大学@@）

谈谈热门的氧化镓@@@@

judy — Fri, 25 Nov 2022 02:42:40 +0000

来源@@：内容由@@半导体@@行业观察@@（ID：icbank）编译自@@science，谢谢@@。

超宽带隙@@@@半导体@@有望成为大功率晶体管@@

高效的超高压功率转换设备@@(电压@@>20kv)需要比硅的能隙大得多的半导体@@@@。宽带隙@@@@(WBG)半导体@@碳化硅@@(SiC)已经成熟成为电力电子的商业技术平台@@@@，但超宽带隙@@@@@@(UWBG)(带隙@@>4.5eV)半导体@@器件@@有可能实现更高电压@@的电子设备@@。候选@@UWBG半导体@@包括氮化铝@@(AlN)、立方氮化硼和金刚石@@，但在@@过去十年@@中@@@@，研究活动增加最多的可能是氧化镓@@@@(Ga2O3)。这种兴趣的部分原因是由于其@@4.85 eV的大带隙@@和晶体生长方面的突破@@，导致了@@2012年@@第一个@@Ga2O3晶体管的演示@@。Ga2O3有希望成为电力电子平台@@，但在@@未来十年@@将这种@@UWBG半导体@@投入商用@@存在@@挑战@@。

如@@果超高压电子技术渗透到@@下@@一代电网@@控制和保护@@、超快电动汽车@@充电器或@@具有尺寸@@、重量和功率优势的高效负载点转换器等应用@@领域@@，那么吸引了许多行业注意力的电气化进程可能会被颠覆性地加速@@。虽然碳化硅器件@@的成本比传统的硅电力电子产品高@@，但在@@系统级@@，由于电路要求更简单@@，预计这些成本将被节省的费用@@所抵消@@。

如@@果出现可行的@@UWBG技术平台@@，则@@可以实现超过@@20kV的非常高的电压@@和高开关速度的功率转换@@。即使在@@@@10kv下@@，也很难在@@不牺牲电路效率的情况下@@将功率转换器的开关频率提高到@@@@10khz以上@@@@。UWBG半导体@@本质上@@需要更薄的器件@@层@@，从而减少传导损耗@@(与通道电阻成正比@@)。通过较小的@@UWBG器件@@减少的载波传输时间也将减少开关损耗@@(与电容成正比@@)，并在@@不牺牲输出功率的情况下@@为高速电子设备提供平台@@。这种高速功率晶体管在@@电力电子行业将是破坏性的@@，因为@@系统体积与频率成反比@@。

在@@六个结晶@@Ga2O3相中@@@@，低对@@称单斜@@β- Ga2O3由于其在@@高温@@(>650°C)下@@的热稳定性@@，在@@其发展周期中@@走得最远@@，下@@面的讨论涉及到@@该@@相@@。与其他@@WBG或@@UWBG半导体@@不同的是@@，最初为硅基片开发@@的熔体生长方法已经被用@@于商业化@@Ga2O3衬底@@。β- Ga2O3晶圆已达到@@@@4英寸@@(100毫米@@)的商业里程碑@@，并有望在@@@@2027年@@达到@@@@6英寸@@(150毫米@@)的尺寸@@。与此同时@@，高质量外延的基础设施正在@@扩大@@，以跟上@@不断增长的@@Ga2O3基片尺寸@@。Ga2O3外延生长的方法@@，如@@化学气相沉积@@(CVD)、分子束外延和卤化物气相外延等@@，正在@@被广泛研究@@，目的是生产最高质量的材料@@。

尽管@@UWBG技术的基本基础设施构建模块已经进入了开发@@周期@@，但研究人员仍在@@积极探索@@UWBG设备架构@@。垂直场效应晶体管@@(FET)，如@@FinFET(见图@@左@@)，理论上@@可以阻挡非常高的场@@，但更容易受到@@外延层扩展缺陷的影响@@。横向晶体管@@，如@@异质结@@FET(见图@@右@@)，由于其更小的电容和更短的传输时间@@，有可能更快更有效地切换@@，而且它还可以使用@@@@Ga2O3三元合金@@，在@@这种情况下@@是@@β-(Al xGa1-x) 2O3，以进一步提高功率性能@@。

氧化镓@@(β-Ga2O3)器件@@

浅层能量供体和受体@@(带电杂质@@)的存在@@困扰着所有@@UWBG半导体@@，因为@@越来越宽的能隙通常会使外部杂质驻留在@@离传导带@@(或@@价带@@)更远的地方@@。然而@@，对@@于@@Ga2O3来说@@，硅是一种极好的外部浅供体@@，它能够实现从@@1014 cm-3以下@@到@@@@1020cm-3以上@@@@的广泛可控电导率@@。可控的@@n型@@电导率甚至延伸到@@三元合金@@@@(Al xGa1-x) 2O3，它有更宽的带隙@@@@，也可根据相和@@Al浓度调节@@。此外@@，CVD生长的同质外延@@β-Ga2O3的纯度只有硅超过@@。最近@@，通过无意受体@@(2×1013cm-3，~0.06%的给体补偿@@)的超低水平背景使同质外延@@CVD Ga2O3具有极高的低温迁移率@@(23000 cm2 V-1 s-1)，这可能源于晶格中@@无意形成的点缺陷@@@@。

然而@@，要在@@这种纯度水平上@@生长非常厚@@(>30 μm)的外延@@β-Ga2O3是非常具有挑战性的@@，它的发展需要与@@SiC在@@超高功率开关应用@@领域竞争@@。在@@高压@@Ga2O3器件@@商业化之前@@，对@@Ga2O3外延缺陷的理解必须在@@未来几年@@内取得进展@@。点缺陷@@，如@@空位@@及其相关复合体@@(如@@空位@@-间质缺陷@@)以及厚外延层中@@的扩展缺陷@@，目前抑制@@Ga2O3器件@@尺寸@@。总的来说@@@@，Ga2O3中@@的缺陷表征有望成为一个丰富的研究领域@@，这也将使任何希望用@@有用@@的设备尺寸打破@@20kv障碍的@@Ga2O3电力电子商业企业能够实现这一目标@@。

对@@于@@电力电子来说@@@@，开发@@p型@@(空穴载流子@@)材料是必要的@@，因为@@Ga2O3中@@的空穴形成局域极化子@@，导致自俘获现象@@，限制了它们的传导@@。无论器件@@几何形状如@@何@@，Ga2O3中@@p型@@导电性的缺失对@@高电场管理提出了挑战@@，任何实际的解决方案都需要对@@先前开发@@的半导体@@所没有面临的异质集成进行创新@@。

不同于@@p型@@半导体@@@@，如@@SiC、氮化镓@@(GaN)或@@金刚石@@，WBG p型@@氧化镍@@(NiO)可以在@@室温下@@溅射@@，因此有利于与@@Ga2O3器件@@集成@@。最近@@的研究@@，如@@Zhang等人演示的@@8 kv NiO/Ga2O3 p-n二极管@@，已经表明@@，通过将异质结与这些器件@@中@@的场管理和电荷平衡相结合@@，可以潜在@@地管理@@Ga2O3中@@p型@@电导率的缺乏@@。如@@果开发@@出与@@p型@@WBG半导体@@(如@@GaN或@@AlN)的稳健异构集成@@，则@@Ga2O3作为电力电子材料的前景将大大增强@@。这样的发展可能导致可靠的结势垒肖特基整流器商业化@@，就像@@SiC的情况一样@@。

在@@实际高压电子器件@@中@@使用@@@@UWBG材料的关键要求是在@@表面上@@有效的电场终止@@。氮深受主在@@使@@Ga2O3几乎绝缘和产生可减小电场的有效介电层方面是有效的@@。选择性离子注入可以在@@器件@@制造过程中@@形成导电和绝缘表面区域@@。干蚀刻@@是制造这种图@@案的一个常见的加工步骤@@，它会引入影响器件@@可靠性的表面缺陷@@。如@@果图@@案可以完全通过离子注入来实现@@，那么干蚀刻@@可能完全被消除@@。与其他@@UWBG材料不同的是@@，Ga2O3甚至可以在@@磷酸中@@湿蚀刻@@@@，并使用@@气相@@Ga蚀刻@@，这两种方法都可以消除等离子蚀刻@@带来的化学和机械损伤@@，因为@@等离子蚀刻@@总是会在@@蚀刻@@表面引入缺陷@@。在@@开发@@@@Ga2O3专用@@制造工艺的同时@@，开发@@高质量厚外延层@@，可以在@@下@@一个十年@@中@@加速@@Ga2O3器件@@的商业化@@，至少可以达到@@双端器件@@@@（如@@二极管@@@@）的规模@@。

必须仔细考虑@@Ga2O3极低的导热系数@@(11到@@27 W m-1K-1)。Ga2O3晶体管的冷却甚至比@@GaN晶体管更关键@@，后者也有自热效应@@。尽管@@Ga2O3器件@@在@@运行过程中@@输出的功率与@@GaN器件@@相比仍然要低一个数量级@@，但为@@GaN开发@@的顶部和底部侧冷却方法可以应用@@于@@Ga2O3。事实上@@@@，用@@AlN或@@纳米晶金刚石覆盖横向晶体管@@可以实现@@Ga2O3 5-6w mm-1的直流输出功率@@，这与@@20世纪@@90年@@代@@GaN高电子迁移率晶体管的早期结果类似@@。具有高导热性的异质集成@@WBG p型@@半导体@@@@，如@@SiC, GaN，甚至金刚石@@，尤其适用@@于@@p-n和结势垒肖特基整流器@@。

回顾@@WBG半导体@@的早期商业化努力@@，SiC的成功在@@一定程度上@@是由大量的政府投资和持续创新的科研努力所驱动的@@。解决碳化硅微管和基面位错缺陷问题依赖于先进的表征技术@@，如@@紫外光致发光成像和光谱学@@。材料科学家们继续发展他们对@@直径更大的@@SiC晶圆缺陷的理解@@。

在@@厚@@(>30 μm)Ga2O3外延层中@@理解和控制点缺陷@@和扩展缺陷也需要类似的努力@@。政府的资金对@@于@@早期支持这些努力是至关重要的@@。美国海军研究办公室于@@2017年@@启动了小型@@企业技术转让项目@@，旨在@@启动@@β-Ga2O3 CVD的开发@@@@，该@@项目在@@项目结束前实现了该@@能力的商业化@@，凸显了该@@新技术的重要性@@。最近@@颁布的美国芯片和科学法案不仅将为芯片制造设施提供资金@@，还将向美国商务部和美国国防部提供@@130亿@@美元@@，用@@于半导体@@和微电子研究和开发@@@@。这些投资将在@@未来几年@@刺激@@UWBG半导体@@和相关材料研究的额外资金@@，期望异构集成半导体@@模块的多样化组合将克服使用@@特定半导体@@制造的芯片的缺点@@。此外@@，只有在@@无源器件@@能够跟上@@的情况下@@@@，更高频率的器件@@才会在@@系统级别上@@发挥作用@@@@。磁性材料的进步也有助于防止电感器和变压器等部件在@@更高频率下@@变得太过损耗@@。

氧化镓@@