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Novel Crystal Technology宣布開發(fā)出世界第一款安培級1200 V耐壓的“氧化鎵肖特基勢壘二極管”

日期:2021-12-27 來源:半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)閱讀:748
核心提示:面向快充、下一代電動汽車和飛行器等更高輸出功率和低損耗的能源系統(tǒng)作為NEDO戰(zhàn)略節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃中的重要成員,Novel Crystal
 面向快充、下一代電動汽車和飛行器等更高輸出功率和低損耗的能源系統(tǒng)
 
作為NEDO“戰(zhàn)略節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃”中的重要成員,Novel Crystal Technology Co., Ltd.致力于“β-Ga2O3肖特基勢壘二極管商業(yè)化開發(fā)”,近日宣布Novel已開發(fā)出溝槽型安培級1200 V 耐壓“氧化鎵肖特基勢壘二極管(SBD)”,這一成就是劃時(shí)代的。
圖1在2英寸晶圓上制造的安培級1200 V耐壓氧化鎵肖特基勢壘二極管的外觀照片
 
這一工作成果將極大地推動高耐壓氧化鎵SBD的商業(yè)化進(jìn)程,從而進(jìn)一步有效提高(超)寬禁帶電力電子器件的性價(jià)比。該氧化鎵SBD的應(yīng)用將有效推動如光伏發(fā)電用功率轉(zhuǎn)換器、工業(yè)用逆變器和電源等電力電子設(shè)備的進(jìn)一步高效和小型化。有望為汽車以及空中飛行器的電氣化推進(jìn)做出貢獻(xiàn)。相關(guān)研究成果詳見發(fā)表于日本應(yīng)用物理學(xué)會2021年12月15日的網(wǎng)絡(luò)版《Applied Physics Express》期刊。
 
由于氧化鎵(β-Ga2O3)材料※1相較碳化硅(SiC)※2和氮化鎵(GaN)材料※3更優(yōu)越的材料性能和更低的制造成本,基于氧化鎵材料的功率器件有望成為家用電器、電動汽車、軌道交通、工業(yè)設(shè)備、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等各種低損耗、低成本、高功率密度的電力電子應(yīng)用場景的的理想候選※4。圍繞氧化鎵材料生長、器件設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)應(yīng)用的研究正在世界范圍內(nèi)的公司和研究機(jī)構(gòu)的研究中加速展開。
 
作為新能源和產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合發(fā)開機(jī)構(gòu)(NEDO)“戰(zhàn)略節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃”的重要成員,Novel Crystal Technology, Inc.于2017年啟動β-Ga2O3器件商業(yè)化項(xiàng)目,利用NCT的在該領(lǐng)域深厚的研究基礎(chǔ)和工藝積累,我們成功開發(fā)了2英寸晶圓的溝槽型※5β-Ga2O3SBD※6的生產(chǎn)工藝,并首次成功開發(fā)了溝槽型大電流1200V耐壓的β-Ga2O3SBD(見圖1)。未來,預(yù)計(jì)基于該開發(fā)成果的高壓大電流β-Ga2O3SBD將有望應(yīng)用于下一代高壓、大功率的電力電子應(yīng)用場景。
 
Novel的這些成果源自Novel的母公司-田村制作所和一系列NEDO的項(xiàng)目支持。田村制作所基于2011-2013年NEDO“節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目/超高壓氧化鎵功率器件的研發(fā)”的部分項(xiàng)目成果,于2015年成功研發(fā)出全球首個(gè)功率器件用β-Ga2O3外延技術(shù)。2018年,Novel獲NEDO“戰(zhàn)略節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃/安培級氧化鎵器件”資助項(xiàng)目,開啟了功率器件用大電流β-Ga2O3SBD的商業(yè)化開發(fā)進(jìn)程;2020年,Novel再作為主要參與者之一,獲得NEDO“戰(zhàn)略節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃/β-Ga2O3SBD器件商業(yè)化”項(xiàng)目資助。相關(guān)研究成果詳見發(fā)表于日本應(yīng)用物理學(xué)會2021年12月15日的網(wǎng)絡(luò)版《Applied Physics Express》期刊。
 
【本次成果】

迄今為止,對于大電流β-Ga2O3SBD,Planar型※7結(jié)構(gòu)由于較易開發(fā)而被廣泛采用。但由于PlanarSBD漏電※8大等原因,此結(jié)構(gòu)很難制造出耐壓※9 1200V以上的Ga2O3SBD。Novel Crystal TechnologyInc.于2017年成功開發(fā)并展示了將反向漏電流降低到1/1000的溝槽型Ga2O3SBD的技術(shù)及原型,圖2是Novel開發(fā)的β-Ga2O3溝槽型SBD的截面結(jié)構(gòu)圖和光學(xué)顯微照片。目前,Novel已實(shí)現(xiàn)2英寸Ga2O3SBD的批量生產(chǎn)。本次我們基于Novel2英寸工藝首次展示的溝槽型β-Ga2O3SBD,其正向電流※10IF= 2 A(VF = 2.0 V)(圖3a),耐壓1200 V時(shí)漏電流<10 -9A(圖3b)。該工作使得目前基于Novel的100 mm 工藝線的系列產(chǎn)品開發(fā)、大規(guī)模生產(chǎn)以及1200 V β-Ga2O3SBD 產(chǎn)品級的電器性能和可靠性評估成為可能,從而加快推動高壓大電流低損耗的β-Ga2O3功率器件商業(yè)化進(jìn)程。
圖2β-Ga2O3溝槽型SBD的橫截面結(jié)構(gòu),光學(xué)顯微照片

圖3β-Ga2O3溝槽型SBD的電流-電壓
 
【未來計(jì)劃】

通過NEDO的項(xiàng)目,Novel將加快推動此次試制成功的安培級1200Vβ-Ga2O3SBD器件的制造工藝和可靠性評估的建立,力爭于2023年實(shí)現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品商業(yè)化。于此同時(shí),我們也將基于2021年6月推出的高品質(zhì)Ga2O3100毫米外延片技術(shù),建設(shè)100mm高品質(zhì)β-Ga2O3外延量產(chǎn)線。
 
得益于該技術(shù)的突破,中高壓高速二極管的市場規(guī)模,預(yù)計(jì)將從2022年的1200億日元擴(kuò)大至2030年的1500億日元(富士經(jīng)濟(jì)《2021下一代功率器件和電力電子相關(guān)設(shè)備市場的現(xiàn)狀和未來展望》)。Novel將攜β-Ga2O3SBD相關(guān)技術(shù)進(jìn)入這一主要市場,為節(jié)能社會貢獻(xiàn)力量。

【注釋】
 
※1氧化鎵(β-Ga2O3)
 
Gallium Oxide 它是鎵和氧的化合物,是寬禁帶半導(dǎo)體材料之一。
 
※2碳化硅(SiC)
 
Silicon Carbide  它是硅和氧的化合物,是寬禁帶半導(dǎo)體材料之一。
 
※3氮化鎵(GaN)
 
Gallium Nitride  它是鎵和氮的化合物,是寬禁帶半導(dǎo)體材料之一。
 
※4功率器件
 
電力控制電路和電源開關(guān)電路中必不可少的電子元器件,主要用于電子電力的開關(guān)、功率轉(zhuǎn)換、功率放大等電力轉(zhuǎn)換設(shè)備。
 
※5溝槽型
 
在陽極電極正下方的Ga2O3中形成凹槽的結(jié)構(gòu)。施加反向電壓時(shí),陽極附近的電場強(qiáng)度得到緩和,具有顯著降低漏電流的作用。
 
※6肖特基勢壘二極管(SBD)
 
一種利用整流的二極管,稱為肖特基結(jié),當(dāng)半導(dǎo)體和金屬結(jié)合時(shí),其中電流僅沿一個(gè)方向流動。
 
肖特基結(jié)二極管的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)損耗低于PN 結(jié)二極管。
 
※7平面型
 
Ga2O3正下方的陽極電極具有扁平結(jié)構(gòu)。施加反向電壓時(shí),陽極附近的電場強(qiáng)度大,漏電流較大。
 
※8漏電流
 
從陰極流向陽極的電流。
 
※9耐壓
 
它是指器件陽極向陰極施加正電壓的最大電壓限制。
 
※10正向電流
 
它是從陽極流向陰極的電流。
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