―為功率器件的低成本化和新一代EV的節(jié)能化做出貢獻(xiàn)―
在NEDO的“戰(zhàn)略性節(jié)能技術(shù)革新計(jì)劃”中，Novel Crystal Technology,Inc.(以下略稱Novel)與大陽日酸(株)及(大)東京農(nóng)工大學(xué)共同開發(fā)了作為新一代半導(dǎo)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(chǎn)成膜裝置的開發(fā)取得了很大進(jìn)展，有助于實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)機(jī)用電機(jī)控制的逆變器、住宅用太陽能發(fā)電系統(tǒng)的逆變器、新一代EV等的節(jié)能化。
圖1在6英寸測試晶片上成膜的β-Ga2O3薄膜
1 .概述
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(fā)，日本處于世界領(lǐng)先地位，2021年本公司成功開發(fā)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(jìn)行了制造銷售※8。作為該外延成膜的基礎(chǔ)的β-Ga2O3晶片與SiC和GaN不同，Bulk結(jié)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(jià)格的β-Ga2O3晶片，有利于功率器件的低價(jià)格化。
但是，β-Ga2O3的成膜所采用的HVPE法能夠?qū)崿F(xiàn)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(shí)用化的課題。因此，為了降低成膜成本，通過HVPE法實(shí)現(xiàn)大口徑(6英寸或8英寸)的批量式批量生產(chǎn)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(fā)法人新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu))的“戰(zhàn)略性節(jié)能技術(shù)革新計(jì)劃※9/面向新一代功率器件的氧化鎵用的大口徑批量生產(chǎn)型外延成膜裝置的研究開發(fā)”項(xiàng)目中，制作了β-Ga2O3在本程序的培育研究開發(fā)階段(2019年度)進(jìn)行了作為HVPE法原料的金屬氯化物※10的外部供給技術(shù)※11開發(fā)，在實(shí)用化開發(fā)階段(2020年度~2021年度)為了確立批量生產(chǎn)裝置的基礎(chǔ)技術(shù)，進(jìn)行了6英寸葉片式HVPE法的外部供給技術(shù)※11開發(fā)，而且，這是世界上首次成功地在6英寸晶片上成膜了β-Ga2O3。
2 .本次成果
Novel公司、大陽日酸及東京農(nóng)工大學(xué)開發(fā)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(lán)寶石基板)上進(jìn)行了β-Ga2O3成膜(圖1)。
另外，通過成膜條件的優(yōu)化和采用獨(dú)自的原料噴嘴結(jié)構(gòu)，證實(shí)了在6英寸測試晶片上的β-Ga2O3成膜，以及確認(rèn)了能夠?qū)崿F(xiàn)β-Ga2O3膜厚分布±10%以下等在面內(nèi)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(shù)和硬件設(shè)計(jì)技術(shù)，可以構(gòu)筑β-Ga2O3成膜裝置的平臺，因此大口徑批量生產(chǎn)裝置的開發(fā)可以取得很大進(jìn)展。這樣，通過β-Ga2O3成膜工藝和應(yīng)用設(shè)備帶來的功耗降低，預(yù)計(jì)在2030年將達(dá)到21萬kL/年左右的節(jié)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(nóng)工大學(xué)在NEDO事業(yè)中繼續(xù)開發(fā)用于β-Ga2O3成膜批量生產(chǎn)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(jià)和膜中存在的缺陷評價(jià)，得到高品質(zhì)的β-Ga2O3薄膜，另外，確立β-Ga2O3外延晶片的量產(chǎn)技術(shù)后，目標(biāo)是2024年度量產(chǎn)裝置的產(chǎn)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(yù)計(jì)2030年度將成長為約590億日元規(guī)模的市場(根據(jù)株式會社富士經(jīng)濟(jì)“2020年版新一代功率器件&功率電瓷相關(guān)設(shè)備市場的現(xiàn)狀和未來展望”) 今后將實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)裝置，通過進(jìn)入β-Ga2O3成膜裝置市場和普及Ga2O3功率器件，為促進(jìn)新一代EV等的節(jié)能化做出貢獻(xiàn)。
【注釋】
※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(dǎo)體”，是受到廣泛關(guān)注的化合物半導(dǎo)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(yōu)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(dǎo)體材料。
※3氮化鎵(GaN)
GaN是鎵和氮的化合物，具有比SiC更穩(wěn)定的結(jié)合結(jié)構(gòu)，是絕緣破壞強(qiáng)度更高的寬帶隙半導(dǎo)體。主要用于開關(guān)電源等小型高頻用途。
※4帶隙
電子和空穴從價(jià)帶遷移到導(dǎo)帶所需的能量。將該值大的半導(dǎo)體定位為寬帶隙半導(dǎo)體，帶隙越大，絕緣破壞強(qiáng)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(zhuǎn)換的半導(dǎo)體元件，用于逆變器和轉(zhuǎn)換器等電力轉(zhuǎn)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(jié)晶生長方法。其優(yōu)點(diǎn)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(jìn)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(fā)4英寸β-Ga2O3外延晶片，制造銷售
(參考) 2021年6月16日新聞發(fā)布
" https://www.novel crystal.co.jp/2021/2595/"
※9戰(zhàn)略性節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新計(jì)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(yīng)技術(shù)
在HVPE法中，將金屬氯化物生成部和成膜部獨(dú)立分離，從反應(yīng)爐外部使用配管等供給金屬氯化物的技術(shù)。
※12SBD
肖特基勢壘二極管(SBD:Schottky Barrier Diode)。不是PN結(jié)，而是使用某種金屬和n型半導(dǎo)體的結(jié)的二極管。其優(yōu)點(diǎn)是與其他二極管相比效率高、開關(guān)速度快。
※13FET
場效應(yīng)晶體管( FET:Field Effect Transistor )。閘門電極二電壓通過添加通道在區(qū)域產(chǎn)生電界根據(jù)電子或正孔的密度，控制源漏電極之間的電流晶體管是指。
