《日本研发出半导体材料氧化镓的低成本制法》

  • 来源专题:集成电路
  • 编译者: 李衍
  • 发布时间:2023-10-30
  • 据日经中文网10月9日报道,日本东京农工大学与日本酸素控股株式会社合作,共同开发出新一代功率半导体“氧化镓”的低成本制法。该方法利用气体供应原料,在基板上制造晶体,可减少设备维护频率,也可降低运营成本。据悉,该方法属于“有机金属化学气相沉积(MOCVD)法”,在密闭装置内充满气体状原料,可在基板上制造出氧化镓的晶体。目前现有的制法是“氢化物气相外延(HVPE)法”,化学气相沉积新制法可制成此前实现不了的高频器件。东京农工大等团队通过MOCVD方法,将氧化镓晶体的生长速度提高至每小时约16微米,达到原来的约16倍。东京农工大学研究人员表示,这是与氢化物气相外延法并列的水平。除了立式结构的功率器件外,还可以制造“高电子迁移率晶体管(HEMT)”这种横式结构,有利于通信设备的高频工作。利用传统的氢化物气相外延法,难以与高电子迁移率晶体管所需的铝进行混晶。

    氧化镓是耐压性超过“碳化硅”和“氮化镓”的功率半导体材料,可以降低电力转换时的能源损失。有望用于纯电动汽车(EV)、白色家电及光伏发电等广泛用途。目前已有数家企业实现实用化,富士经济的调查显示,市场规模到2030年将达到470亿日元。

  • 原文来源:https://cn.nikkei.com/industry/scienceatechnology/53690-2023-10-09-10-18-33.html
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    • 编译者:胡思思
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    • 新能源汽车大势之下,以碳化硅为代表的第三代半导体发展风生水起。与此同时,第四代半导体也在蓄势待发,其中, 氧化镓(Ga2O3)基于其性能与成本优势,有望成为继碳化硅之后最具潜力的半导体材料。 近期媒体报道,鸿海研究院半导体所与阳明交大电子所合作,双方研究团队在第四代半导体的关键技术上取得重大突破,提高了氧化镓在高压、高温应用领域的高压耐受性能。 本次研究利用磷离子布植和快速热退火技术实现了第四代半导体P型氧化镓的制造,并在其上重新生长N型和 N+型Ga2O3,形成了PN Ga2O3 二极体,结果展示出优异的电性表现,这一突破性技术除了能大幅提升元件的稳定性和可靠性,并显著降低电阻。 论文详细阐述了这种新型Ga2O3 PN二极体的制作过程和性能特征。实验结果显示,该元件具有4.2 V的开启电压和900 V的击穿电压,展现出元件优异的高压耐受性能。 资料显示,氧化镓作为第四代半导体材料代表,具备禁带宽度大、临界击穿场强高、导通特性好(几乎是碳化硅的10倍)、材料生长成本低等优势,这些特性使得氧化镓特别适用于电动汽车、电网系统、航空航天等高功率应用场景。 鸿海认为,氧化镓将有望成为具有竞争力的电力电子元件,能直接与碳化硅竞争。展望未来,鸿海研究院表示,随着氧化镓技术的进一步发展,可以期待其在更多高压、高温和高频领域中有更广泛应用。氧化镓技术不断突破资料显示,当前日本、美国与中国对氧化镓领域的研究较为积极。 日本相关厂商已经实现了4英寸与6英寸氧化镓的产业化发展,2023年底,日本NCT(novel crystal technology)公司宣布全球首次采用垂直布里奇曼(VB)法成功制备出6英寸β型氧化镓单晶。 美国Kyma科技公司在氧化镓基片、外延晶片和器件的生产上具有优势,并且与美国国防部达成紧密的合作关系。 我国同样也在加速布局氧化镓,并取得了一系列重要研究成果。 去年2月,中国电科46所成功制备出6英寸氧化镓单晶,技术达到了国际一线水平。 去年10月,北京铭镓半导体有限公司实现了4英寸氧化镓晶圆衬底技术突破,推出多规格氧化镓单晶衬底并首发4英寸(100)面单晶衬底参数。 今年3月,镓仁半导体联合浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院、硅及先进半导体材料全国重点实验室,采用自主开创的铸造法于今年2月成功制备了高质量6英寸非故意掺杂及导电型氧化镓(β-Ga2O3)单晶,并加工获得了6英寸氧化镓衬底片。同年7月,镓仁半导体制备出了3英寸晶圆级(010)氧化镓单晶衬底。 今年4月,媒体报道厦门大学电子科学与技术学院杨伟锋教授团队在第四代半导体氧化镓(β-Ga2O3)外延生长技术和日盲光电探测器制备方面取得重要进展。 在β-Ga2O3薄膜生长方面,研究团队利用分子束外延技术(MBE)实现了高质量、低缺陷密度的外延薄膜生长,并通过改变反应物前驱体和精密控制生长参数,成功实现了β-Ga2O3外延薄膜的均匀生长和优良的晶体质量,有力地推动了β-Ga2O3薄膜的高质量异质外延的发展。同时,研究团队还通过对MBE外延生长过程中的β-Ga2O3薄膜生长机制进行详细探究,揭示了其成核、生长的差异性,并建立了相对应的外延生长机理模型图。据悉,β-Ga2O3材料因其本征日盲光吸收(254 nm),简单二元组成,带隙可调,制备工艺简单等优势在日盲光电探测器领域受到广泛关注。 另外,该研究团队在MBE异质外延β-Ga2O3生长机制的基础上,结合半导体光电响应原理,探究了异质外延β-Ga2O3薄膜日盲光电探测器的性能指标。研究团队利用臭氧作为前驱体所制备的金属-半导体-金属结构日盲光电探测器表现出7.5 pA的暗电流、1.31×107的光暗电流比、1.31×1015 Jones的比检测率和 53 A/W的光响应度,表现出相当优异的对日盲紫外光的探测性能。
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    • 《日本经济新闻》5月14日报道,名古屋大学教授天野浩利用为他赢得诺贝尔奖的研究成果——蓝色发光二极管(LED)成功研发出节能效果出众的半导体材料。目前已经找到了将这一材料应用于空调等家电产品的办法。天野教授还与丰田汽车工业公司和电装公司等民间企业合作,力争在两年内降低成本并投入实际使用。   报道称,2014年,天野教授与名城大学的赤崎勇博士、美国加州大学的中村修二博士共同获得了诺贝尔物理学奖。天野的研究成果——利用氮化镓制成的蓝色LED也广受赞誉。他这一次同样是以氮化镓为原料,研发出了能够操控电力的“功率半导体”。   报道介绍,研究人员制造出了约1毫米见方的一小块半导体,它能够稳定传输家电使用过程中所需的10安培电流。如果用在存储大量数据的服务器或者空调等电器上的话,将可以节省近10%的耗电量。   报道称,氮化镓在加工成半导体的过程中原本容易出现缺陷,产生热量,导致材料劣化。天野教授等研究人员提高了材料的耐久性,即便有缺陷出现也难以导致材料劣化。找到了解决耐久性问题的办法后,新材料也就达到了商用水平。通过与民间企业合作,预计两年后成本将降至此前的百分之一。   报道称,据悉,一旦制造成本降至百分之一以下,这种新产品就有望替代使用矽和碳化矽制造的现有功率半导体。   报道称,功率半导体材料不仅可以用于家电,在研发竞争激烈的电动汽车领域也备受期待。天野教授的目标是在未来进一步推动此次研发出的新材料在电动汽车上的应用。   报道介绍,该研究项目是由文部科学省发起,以天野教授为核心,联合丰田汽车等约40家企业共同开展的。企业和大学带来了各自的实验数据,攻克了在实用化方面存在的问题。原本阻碍氮化镓半导体元件在家电产品上使用的大电流问题也找到了解决的办法,技术难题被全部扫清。