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【IFWS 2016】揭开宽禁带半导体电力电子器件产业化序幕
  以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等宽禁带化合物为代表的第三代半导体材料已引发全球瞩目,成为全球半导体研究前沿和热点。第三代半导体具备禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强等优越性能,是固态光源、下一代射频和电力电子器件的“核芯”,在半导体照明、消费类电子、5G移动通信、智能电网、轨道交通、雷达探测等领域有广阔的应用前景。

  
  预计到2020年,第三代半导体技术应用将在节能减排、信息技术、国防三大领域催生上万亿元的潜在市场,而氮化镓器件很可能成为推动整个电子电力效率提升的关键动力之一。
  
  2016年11月15日至17日,中国科技部与北京市人民政府主办的2016中国(北京)跨国技术转移大会暨第三代半导体国际论坛(以下简称“跨国技术转移大会”)在北京国际会议中心举行。其中,大会从技术、产业、应用等全链条策划,通过高峰论坛、专题研讨、应用峰会、合作论坛和创新大赛等多种形式,围绕第三代半导体的前沿发展和技术应用设置多个专场重点讨论。
  
        11月16日,围绕氮化镓及其它新型宽禁带半导体电力电子器件技术设置的专题分会,由山东大学校长、教授张荣,北京大学物理学院教授、北京大学宽禁带半导体联合研究中心主任张国义,美国弗吉尼亚理工大学教授、美国工程院院士Fred C. LEE联合坐镇,召集了全球顶级专家精英,打造一场氮化镓等第三代半导体电力电子器件的盛会。会议现场十分火爆,受场地限制,很多与会代表都站着听完会议,火爆程度可想而知!

  
  北京市科委双新处副处长王红梅在致辞中表示,当前全球第三代半导体技术产业正处于快速发展的窗口期,它的发展受到了各国政府以及更大范围产业的重视和支持。氮化镓是第三代半导体材料的典型代表。在过去十年中,在半导体照明的拉动下,氮化镓无论是材料和器件都得到了大幅的发展。未来氮化镓需要跟更多的应用需求相结合,并将在电力电子、通讯等领域有更广阔的发展空间。同时也将带动更多的下游应用领域的发展。
  
  北京高度重视第三代半导体技术和产业的发展,并把它作为新材料领域的重点发展板块进行支持。“十三五”期间,北京第三代半导体技术和产业的发展,将根据一、二、三、四总体布局思路,围绕下游产业的应用,开展中上游材料和器件的研发,全链条部署一体化实施。
  
  前期在大家的共同努力下,我们围绕下游产业应用需求,全产业链布局和推进一些重大技术的协同攻关,突破了6英寸碳化硅衬底材料关键化的产业技术。碳化硅二极管与三极管置备技术等一批产业化技术的研发和攻关。在国内率先实现了碳化硅器件的规模化生产和应用,初步建立起相对完善的碳化硅产业链。同时为国家第三代半导体产业技术创新产业联盟等三家单位共同签署协议,共建北京第三代半导体材料及应用联合创新基地,并共同出资注册成立实体化运营的公司全力推进联合创新基地的建设和产业集群的发展。

  
  目前,联合创新基地已成功引进了20家左右的国内外优势机构入驻,其中包括荷兰戴尔福特理工大学中国研究院等机构。此外,创新基地办公大楼也在加紧施工中,预计明年年中左右投入使用。下一阶段,我们将进一步加大推进工作力度,尤其是推进氮化镓材料和器件的发展,整合更多的资源和力量,共同推动北京第三代半导体技术和产业的发展。
  
  该分会主题涵盖大尺寸衬底上横向或纵向氮化镓器件外延结构与生长、氮化镓电力电子器件的新结构与新工艺开发、高效高速氮化镓功率模块设计与制造,氮化镓功率应用与可靠性以及其它新型宽禁带半导体电力电子器件等。特别邀请到美国弗吉尼亚理工大学、麻省理工学院、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、美国Veeco 公司、台湾交通大学、苏州晶湛半导体有限公司、日本名古屋工大学、香港科技大学、比利时EpiGaNnv公司、浙江大学、中山大学、国科激光等国内外顶尖从事氮化镓等第三代半导体电力电子器件研究的专家及企业首席技术官到场作主题报告。
  
  被称为“终极半导体材料”的氮化镓研究和应用是全球半导体研究的前沿和热点,在光电子器件和微电子器件领域市场前景广阔。目前全球功率转化器件每年约有150亿美元的市场规模,而氮化镓可以直接替代的市场至少可达20%,这还不包括尚待发展的领域,比如电动汽车等新兴潜力市场。

  
  美国弗吉尼亚理工大学教授、美国工程院院士Fred C. LEE以“GaN引领变革”为题。他表示,目前在功率电子产品的生产中,必须考虑品质和可靠性,重点是实现高效率、高功率密度和低成本。这个领域未来的发展将会与功率器件、材料和制造技术的进展紧密相关。随着宽带隙功率器件的最新进展,相信交换器的产生将会在很大程度上影响以上三个方面。
  
  很明显,对于任何设计,如果简单地用WBG替换硅器件,将会获得效率的提高。尽管这是一个很大的贡献,但是仅仅停留于此对WBG不公平。WBG器件能够在更高频率下工作。因此,可以采用WBG将器件尺寸降低5-10倍,并且在一些应用中已经实现。仅仅停留于此,不能充分发挥WBG的潜力。设计与现有的硅器件相比,转换频率为10X,20X甚至50X的转换器,是充满挑战性的。某些这种的设计不仅能够提高性能,并且能够在生产中减少劳动量。

  
  麻省理工学院教授Tomas PALACIOS的学生yuhao zhang博士来代他介绍了“电力电子采用的低成本高性能的垂直GaN二极管和晶体管”主题报告。他表示,基于宽禁带半导体的电力电子器件有望极大地减小电力转化电路和系统的损耗以及提高功率密度,进而减小10%当前全世界的能量消耗。
  
  垂直结构的氮化镓电力电子器件非常有希望于应用于下一代电力电子系统中。相比于水平结构氮化镓电力电子器件,垂直结构器件可以在不增加芯片面积的情况下实现较大的耐压和电流,以及更好的散热性能。但是,氮化镓衬底的高成本成为掣肘垂直结构的氮化镓器件商品化的重要瓶颈。
  
  随后,yuhao zhang介绍了一种新型的垂直结构肖特基二极管。它利用MIS、trench和filed ring等结构,可以极高地提高二极管的耐压并减小反向漏电流。其次,我们将介绍一种新型的垂直结构三极管。它不需要使用p型氮化镓,可以实现常关型性能。最后,虽然利用氮化镓衬底可以实现较高的性能,我们介绍我们在低成本的硅衬底上同样实现了高性能的氮化镓器件,这有望于极大地降低氮化镓垂直器件的成本。
  

  公认的CaN基功率器件最有前景的商业化方式是直接生长在低成本大直径的硅片上。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员孙钱介绍了“硅衬底p-GaN栅生长的常关型GaN基HEMT器件”研究报告。报告中提出,采用多层AlN/AlGaN来克服在Si上生长无缝的高品质Ga(Al)N时产生的晶格常数和热膨胀系数的严重失配。本文研究对高阻抗的Ga(Al)N进行碳掺杂与其电击穿特性的相关性。
  
  对于GaN基功率器件的实际应用,增强模HEMT能够有效地避免失效,并且简化电路。由于技术手段的不足,p-GaN门的生产通常不采用HEMT。为有效控制阈值电压,并且降低2DEG特性的退化,对p-GaN进行有效的Mg掺杂,并且减小扩散。在非门区域对p-GaN层进行刻蚀,有很好的一致性。会议上将报导生产的p-GaN gate HEMTs的器件特性。

  
  紧接着,来自美国Veeco公司Mark Mackee分享了从单晶反应腔技术到电力电子大批量制造的GaN-Si MOCVD发展;台湾交通大学教授、副校长张翼介绍了La2O3/SiO2钝化和铜金属化的氮化镓增强型HEMT 器件最新研究进展;苏州晶湛半导体有限公司总裁程凯介绍了电力电子应用的硅基氮化镓平台等报告。

  
  张翼表示,氮化镓及其相关材料因其高带隙性质有望成为高功率和高频应用材料。生长在大型硅基底的氮化镓高电子迁移率场效晶体管( HEMT)被认为可以在保持应有表现的情况下显著减少功率切换器件的生产成本。为了达到高效率,低电流崩塌的氮化镓 HEMT器件的功率开关应用中,需要考虑不同的材料和工艺问题。在这次谈话中,用La2O3/SiO2 钝化GaN HEMT。为了实现正常关闭装置,展示了以下几种方法,包括门槽,F等离子处理和高k隔层嵌入。为了降低生产成本,对全铜基金属化GaN HEMT进行实验。展示使用上述技术的GaN模块的性能。

  
  程凯认为,硅基氮化镓是下一代电力电子的划时代技术。广泛使用的高质量硅基氮化镓材料是实现GaN功率器件的大规模生产的关键。在演讲中,他展示了最近关于高电压大尺寸硅基氮化镓外延晶片的成果。通过使用 multiple-(Al)GaN 过渡层,可以证明厚(> 4um)氮化物缓冲层具有> 1000V的垂直击穿电压。
  
  下半场,也力邀六位嘉宾带来高质量学术报告,其中有日本名古屋工大教授江川孝志、香港科技大学教授陈敬、比利时EpiGaNnv首席执行官兼共同创始人Marianne GERMAIN、浙江大学副教授,青年千人计划杨树、中山大学教授刘扬和北京国科世纪激光技术有限公司总经理张国新。

  
  其中,日本名古屋工大教授江川孝志讲述了200毫米硅衬底AlGaN/GaN基HEMT的异质外延生长和器件特征的最新进展。GaN器件的电子特性使其成为低损耗,高功率开关应用的理想选择。硅衬底的优势在于可使GaN长达200毫米的直径范围上生长,这为CMOS的集成提供了机会。GaN和Si之间存在较大的晶格及热膨胀系数不匹配限制了高质量硅基GaN的发展,从而导致高位错密度,晶圆弯曲和裂纹形成。因此,为提高装置性能,发展最小晶圆弯度、无裂纹的高质量硅基GaN势在必行。
  
  为了得到高质量的GaN外延层, AlN成核层在硅上的沉积非常重要。通过优化生长条件并利用SLS技术,8英寸硅基上成功生长AlGaN/GaN异质结构。外延晶片的流动性为1750 cm2/Vs,薄片载流子密度为1x1013 cm-2,弯曲值为50 mm。常关器件制作采用闸门门槽和MOS技术。该器件漏极电流的最大值为300 mA/mm,低漏电流和击穿电压分别为825 V。这些结果表明,常关器件在使用SLS促进AlGaN/GaN异质结构生长方面具有潜能。
  
  GaN MIS-HEMTs(金属-绝缘体-半导体HEMT)或 MIS-FET(金属-绝缘体-半导体 FET),具有抑制栅极泄漏,增强栅极摆动的优点,优于传统的肖特基栅HEMT高压电力开关。然而,栅极绝缘层另外创建了一个新的介电/ III-N接口,其在界面通常存在于高密度(1012-1014 cm-2eV-1) 浅层和深层陷阱(短期和长期的发射时间常数鬷t ),这就形成了巨大的挑战。

  
  香港科技大学教授陈敬作题为“氮化镓功率器件MIS门结构的稳定性和可靠性”主题报告,报告中对GaN MIS-HEMTs闸极介电层和具有增强的稳定性和可靠性的MIS-FETs的几项技术予以介绍。这些技术包括:1)采用氮化界面层(NIL)技术在电介质与GaN之间创建低陷阱密度界面;2)整合 NIL,门槽,氟植入正常的GaN晶体管; 3)LPCVD制备低漏电长寿命氮化硅和栅介质(低压化学气相沉积)。

  
  紧接着,来自比利时EpiGaNnv首席执行官兼共同创始人Marianne GERMAIN,介绍了“大直径硅外延片上的氮化镓高效率的功率切换”研究报告;她表示,为延伸硅材料的电力电子特性,必须采用GaN-on-Si技术。该技术能够减小能量损耗(能量供给,动力驱动),并且能够允许高的操作温度(服务器,电动车辆……),同时减小功率转换器(电脑电源、汽车、空间……)的体积和重量。GaN-on-Si技术能够打破硅边界的高效功率转换的决定性优势在于它很好地将高性能和低成本结合在一起。这主要归功于使用低成本硅衬底,可以获得大硅片,完全兼容于现有的硅生产线和生产车间。本文将给出最新的150 nm和200 nm晶圆的发展,在室温和150℃条件下减小泄漏结构,具有极好的动态电阻特性,适合高电压开关应用。

  
  浙江大学副教授,青年千人计划杨树在作“硅基氮化镓功率器件缓冲层引发的挑战”报告,报告中指出,氮化镓(GaN)凭借宽禁带、高电子迁移率、高击穿电场等优异材料特性,能够在电力电子应用中提供高耐压、高频率、小尺寸、高效能、耐高温等理想性能,在可移动电子设备、家用电器、光伏逆变器、数据中心等领域有着具有广阔应用前景。

  
  相比于蓝宝石、碳化硅和体氮化镓衬底,在硅衬底上外延生长III族氮化物异质结结构(也就是硅基氮化镓),不仅利于增大晶圆尺寸和降低成本,而且与硅工艺线兼容从而可实现氮化镓基与硅基器件、电路的片上集成,被认为是产业化中最具竞争力的发展方向之一。报告中,缓冲层陷阱对于硅基氮化镓电力电子器件阻断漏电流和动态性能的影响机理,并且总结回顾在缓冲层材料生长优化和衬底工程中的最新进展。
  
  Si衬底上凹槽栅增强型GaN MOSFET 器件在业界被认为是产业发展的主流方向。由于MOS栅界面存在严重的电子俘获效应,其一直面临阈值电压的不稳定性问题。中山大学教授刘扬作了“硅衬底采用选择性区域生长高质量MOS界面的槽栅增强型GaN MOSFET”研究报告中表示,作为一种可选方案,选区外延技术(SAG)被用于实现器件的增强型特性,其原理是通过再生长薄层AlGaN/GaN异质结构,从而自然形成凹槽栅。SAG方案的主要目的之一是获得无晶格损伤的槽栅结构,然而,由于选区外延工艺未能得到优化,这一优势在我们之前的工作中并未充分得以体现。而选区生长的异质结构质量是这种器件关键之一。最近,我们通过将SAG界面与2DEG界面相分离以及抑制背景Si 施主杂质,从而实现了与传统一次外延同等质量的高性能AlGaN/GaN异质结构的再生长。

  
  作为本场分会最后一位重要报告,是来自北京国科世纪激光技术有限公司总经理张国新(同事代讲)带来“全固态激光技术在第三代半导体中的应用”学术报告。报告中对激光器种类,按波段及脉宽分类;激光加工介绍,不同波段脉宽激光作用机理;激光划片:紫外激光用于碳化硅、氮化镓衬底划片;激光打孔:皮秒激光碳化硅、氮化镓衬底打孔;及国科激光激光器介绍等。