―為功率器件的低成本化和新一代EV的節能化做出貢獻―

 

　　在NEDO的“戰略性節能技術革新計劃”中，Novel Crystal Technology,Inc.(以下略稱Novel)與大陽日酸(株)及(大)東京農工大學共同開發了作為新一代半導體材料而備受矚目的氧化鎵(β-Ga2O3)的鹵化物氣相外延（HVPE）。

 

　　該成果使能夠制造大口徑且多片外延晶片的β-Ga2O3批量生產成膜裝置的開發取得了很大進展，有助于實現成膜成本成為課題的β-Ga2O3外延晶片的大口徑低成本化。如果β-Ga2O3功率器件廣泛普及，則有望實現產機用電機控制的逆變器、住宅用太陽能發電系統的逆變器、新一代EV等的節能化。

圖1在6英寸測試晶片上成膜的β-Ga2O3薄膜

 

 

　　氧化鎵(β-Ga2O3)※1與碳化硅(SiC)※2和氮化鎵(GaN)※3相比具有更大的帶隙※4，因此基于β-Ga2O3的晶體管和二極管具有高耐壓、高輸出、高效率的特性，β-Ga2O3功率器件※5的開發，日本處于世界領先地位，2021年本公司成功開發了使用鹵化物氣相外延(HVPE)法※6的小口徑4英寸β-Ga2O3外延晶片※7，并進行了制造銷售※8。作為該外延成膜的基礎的β-Ga2O3晶片與SiC和GaN不同，Bulk結晶的育成迅速的熔體生長來制造，因此容易得到大口徑、低價格的β-Ga2O3晶片，有利于功率器件的低價格化。

 

　　但是，β-Ga2O3的成膜所采用的HVPE法能夠實現低廉的原料成本和高純度成膜，另一方面存在基于HVPE法的成膜裝置只有小口徑(2英寸或4英寸)且單片式的裝置被實用化的課題。因此，為了降低成膜成本，通過HVPE法實現大口徑(6英寸或8英寸)的批量式批量生產裝置是不可缺少的。

 

　　在這樣的背景下，Novel公司在NEDO (國立研究開發法人新能源產業技術綜合開發機構)的“戰略性節能技術革新計劃※9/面向新一代功率器件的氧化鎵用的大口徑批量生產型外延成膜裝置的研究開發”項目中，制作了β-Ga2O3在本程序的培育研究開發階段(2019年度)進行了作為HVPE法原料的金屬氯化物※10的外部供給技術※11開發，在實用化開發階段(2020年度~2021年度)為了確立批量生產裝置的基礎技術，進行了6英寸葉片式HVPE法的外部供給技術※11開發，而且，這是世界上首次成功地在6英寸晶片上成膜了β-Ga2O3。

 

 

　　Novel公司、大陽日酸及東京農工大學開發了6英寸葉片式HVPE裝置(圖2)，在世界上首次成功地在6英寸測試晶片(使用藍寶石基板)上進行了β-Ga2O3成膜(圖1)。

 

　　另外，通過成膜條件的優化和采用獨自的原料噴嘴結構，證實了在6英寸測試晶片上的β-Ga2O3成膜，以及確認了能夠實現β-Ga2O3膜厚分布±10%以下等在面內均勻的成膜(圖3)。通過本成果確立的大口徑基板上的成膜技術和硬件設計技術，可以構筑β-Ga2O3成膜裝置的平臺，因此大口徑批量生產裝置的開發可以取得很大進展。這樣，通過β-Ga2O3成膜工藝和應用設備帶來的功耗降低，預計在2030年將達到21萬kL/年左右的節能量。

圖2用于β-Ga2O3成膜的6英寸單片式HVPE裝置的外觀照片

圖3 β-Ga2O3在6英寸測試晶片上膜厚分布

 

　　3 .今后的安排

 

　　Novel公司、大陽日酸及東京農工大學在NEDO事業中繼續開發用于β-Ga2O3成膜批量生產裝置，今后使用6英寸β-Ga2O3晶片的外延成膜，通過β-Ga2O3薄膜的電特性評價和膜中存在的缺陷評價，得到高品質的β-Ga2O3薄膜，另外，確立β-Ga2O3外延晶片的量產技術后，目標是2024年度量產裝置的產品化。用HVPE法制造的β-Ga2O3外延晶片主要用于SBD※12和FET※13，因此預計2030年度將成長為約590億日元規模的市場(根據株式會社富士經濟“2020年版新一代功率器件&功率電瓷相關設備市場的現狀和未來展望”) 今后將實現批量生產裝置，通過進入β-Ga2O3成膜裝置市場和普及Ga2O3功率器件，為促進新一代EV等的節能化做出貢獻。

 

 

　　※1氧化鎵(β-Ga2O3)

 

　　氧化鎵是繼碳化硅和氮化鎵之后的“第三功率器件用寬帶隙半導體”，是受到廣泛關注的化合物半導體，是作為功率器件的理論性能壓倒性地高于硅，也超過碳化硅和氮化鎵的優異材料。

 

　　※2碳化硅(SiC)

 

　　SiC是碳和硅的化合物，是主要用于高耐壓大電流用途的寬帶隙半導體材料。

 

　　※3氮化鎵(GaN)

 

　　GaN是鎵和氮的化合物，具有比SiC更穩定的結合結構，是絕緣破壞強度更高的寬帶隙半導體。主要用于開關電源等小型高頻用途。

 

　　※4帶隙

 

　　電子和空穴從價帶遷移到導帶所需的能量。將該值大的半導體定位為寬帶隙半導體，帶隙越大，絕緣破壞強度越高。β-Ga2O3的帶隙約為4.5 eV，比Si(1.1 eV)，4H-SiC(3.3 eV)及GaN(3.4 eV)的值大。

 

　　※5功率器件

 

　　用于電力轉換的半導體元件，用于逆變器和轉換器等電力轉換器。

 

　　※6鹵化物氣相沉積(HVPE)法

 

　　指以金屬氯化物氣體為原料的結晶生長方法。其優點是可以高速生長和高純度成膜。

 

　　※7β-Ga2O3外延晶片

 

　　是指在晶片上形成β-Ga2O3的薄膜形成晶片。在成為晶片的晶體上進行晶體生長，在基底晶片的晶面上對齊原子排列的生長稱為外延生長(外延生長)。

 

　　※8成功開發4英寸β-Ga2O3外延晶片，制造銷售

 

　　(參考) 2021年6月16日新聞發布

 

　　" https://www.novel crystal.co.jp/2021/2595/"

 

　　※9戰略性節能技術創新計劃

 

　　摘要:“https://www.nedo.go.jp/activities/zzjp _ 100039.html”

 

　　※10金屬氯化物

 

　　是作為HVPE法金屬原料的化合物，代表性的金屬氯化物有GaCl，GaCl3，AlCl，AlCl3，InCl，InCl3等。

 

　　※11外部供應技術

 

　　在HVPE法中，將金屬氯化物生成部和成膜部獨立分離，從反應爐外部使用配管等供給金屬氯化物的技術。

 

　　※12SBD

 

　　肖特基勢壘二極管(SBD:Schottky Barrier Diode)。不是PN結，而是使用某種金屬和n型半導體的結的二極管。其優點是與其他二極管相比效率高、開關速度快。

 

　　※13FET

 

　　場效應晶體管( FET:Field Effect Transistor )。閘門電極二電壓通過添加通道在區域產生電界根據電子或正孔的密度，控制源漏電極之間的電流晶體管是指。