日本企业OKI于2023年9月5日宣布，与信越化学（以下简称信越化学）联合开发了一项新技术，该技术将导致实现低成本垂直GaN（氮化镓）功率器件。该技术仅从“QST基板”（一种专用于GaN生长的复合材料基板）上剥离GaN功能层，并将其粘合到不同材料的基板上。如果采用新技术实现垂直GaN功率器件，与现有技术相比，将有可能将成本降低至十分之一左右。

GaN因其特性，作为高性能功率半导体材料而备受关注，近年来其开发和市场导入不断加速。GaN功率器件有两种类型：水平型（在硅晶圆上生长GaN晶体）和垂直型（原样使用GaN衬底）。使用硅片的卧式类型可以以相对较低的成本获得GaN的高频特性，但在需要超过650V的高击穿电压时不适合。另一方面，垂直型比水平型更适合高电压和大电流，但存在成本问题，例如GaN晶圆价格昂贵且直径较小，约为2至4英寸。

OKI和信越化学开发的新技术是利用OKI开发的“CFB（晶体薄膜键合）技术”分离在信越化学独特改进的QST衬底上生长的单晶GaN，并键合异种材料衬底。就是加入到的意思。这使得在GaN中实现垂直导电性并同时增加晶圆直径成为可能，“有助于社会上可实施的垂直GaN功率器件的实现和广泛使用。”

QST衬底是美国Qromis公司开发的专门用于GaN生长的复合材料衬底，信越化学于2019年与Qromis公司签订了许可协议。QST基板具有与GaN相同的热膨胀系数，可以抑制翘曲和裂纹。这一特性使得在8英寸或更大的晶圆上生长高击穿电压的厚膜GaN晶体成为可能，解决了直径增大的问题。

另一方面，OKI的CFB技术可以仅从QST基板上剥离GaN功能层，同时保持高器件特性。此外，GaN晶体生长所需的绝缘缓冲层已被去除，各种衬底可以通过允许“欧姆接触”（根据欧姆定律具有线性电流-电压曲线的电连接）的金属电极连接。它可以加入到。具体而言，除了硅以外，还可以与SiC（碳化硅）、GaN、GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟）等化合物半导体晶片、玻璃晶片等基板接合。OKI 解释说：“只要表面平整度与半导体晶圆相当，CFB 技术就可以进行粘合。”

两家公司表示，通过使用这些技术将GaN层键合到具有高散热性的导电衬底上，将有可能实现高散热性和垂直导电性。OKI表示，“两家公司的技术解决了两个问题，为垂直GaN功率器件的社会实施铺平了道路。如果我们能够将QST衬底上的单晶GaN与CFB技术相结合来实现垂直GaN，我们假设成本可以降低到十分之一左右。”

展望未来，信越化学计划向制造 GaN 器件的客户提供 QST 衬底和外延衬底，OKI 将通过合作和许可提供 CFB 技术。OKI 预计将于 2024 年开始向客户推出该技术。

氮化镓衬底生长技术难在哪儿？

GaN半导体产业链各环节为：衬底→GaN材料外延→器件设计→器件制造。其中，衬底是整个产业链的基础。

作为衬底，GaN自然是最适合用来作为GaN外延膜生长的衬底材料。同质外延生长从根本上可解决使用异质衬底材料所遇到的晶格失配与热失配问题，将生长过程中由于材料之间性质差异所引起的应力降到最低，能够生长出异质衬底无法相比的高质量GaN外延层。举例来说，以氮化镓为衬底可以生长出高质量的氮化镓外延片，其内部缺陷密度可以降到以蓝宝石为衬底的外延片的千分之一，可以有效的降低LED的结温，让单位面积亮度提升10倍以上。

但是，目前GaN器件常用的衬底材料并不是GaN单晶，主要原因就是一个字：难！相对于常规半导体材料，GaN单晶的生长进展缓慢，晶体难以长大且成本高昂。

GaN的首次合成是在1932年，当时是以NH3和纯金属Ga为原料合成了氮化镓。从那之后，虽然对氮化镓单晶材料做了许多积极的研究，可是由于GaN在常压下无法熔化，高温下分解为Ga和N2，在其熔点(2300℃)时的分解压高达6GPa，当前的生长装备很难在GaN熔点时承受如此高的压力，因此传统熔体法无法用于GaN单晶的生长，所以只能选择在其他衬底上进行异质外延生长。当前的GaN基器件主要基于异质衬底(硅、碳化硅、蓝宝石等)制作而成，使得GaN单晶衬底及同质外延器件的发展落后于基于异质外延器件的应用。

全球氮化镓衬底技术共13000多件专利，其中日本占比接近60%，可见日本在该领域遥遥领先，一枝独秀。国外主要生产商有日本住友、古河电气和Kyma，国内有苏州纳维、东莞中镓和上海镓特。日本住友2003年就在全球率先量产氮化镓衬底，侧重HVPE法，重点解决衬底缺陷、尺寸等难题。氮化镓衬底目前以2-3英寸为主，4英寸已经实现商用，6英寸样本也已开发。


国产生长设备成功投运

近日，国家第三代半导体技术创新中心（苏州）材料生长与装备平台与企业联合研发的首台国产MOCVD设备，首炉试生长成功产出高质量GaN外延片。

首炉高质量GaN外延片的成功出炉，标志着国创中心（苏州）的公共研发平台在协助产业界研发新设备、开发新技术的支撑服务能力方面，又迈进了坚实的一步，具有重要的里程碑意义。

该台MOCVD设备进一步提高了腔体的环境稳定性，通过对核心部件的优化设计，获得比传统商用设备更高的气流可调性和温度一致性。可以满足对外延要求更高的氮化物材料与器件（GaN基Micro-LED等）的外延生长和器件开发。

科研人员在该设备上开展试生长实验，采用两步生长技术获得GaN单晶材料外延层。第一步在衬底上生长低温缓冲层，第二步对缓冲层进行高温热处理，然后进行三维粗化和三维转二维的合并，最终实现低位错GaN材料的平坦化生长。生长的外延层厚度控制在约2μm，不进行任何掺杂，同时验证设备运行的各项性能。


我国已掌握8英寸氧化镓外延片生产方法

氮化镓中国已经可以生产了，而氧化镓单晶熔点达到1820℃，高温生长过程中极易分解挥发，容易产生大量的氧空位，进而造成孪晶、镶嵌结构、螺旋位错等缺陷，因而生产难度很大。

目前能够制造大尺寸（6英寸）高质量氧化镓晶圆的方法只有导模法，而这种方法需要使用基于贵金属铱的坩埚，成本非常高昂，是黄金的3倍，且坩埚易损坏还有使用次数限制。

为什么一定要使用铱坩埚呢？这就是前面所说的氧化镓单晶熔点高达1820℃，铱坩埚可以在2100～2200℃工作几千小时，可以保持晶体的纯度和稳定性。

铱坩埚是目前能够制造大尺寸质量氧化镓晶圆最常用的方法，根据中国科学院院士、浙江大学硅材料国家重点实验室主任杨德仁团队的说法，日本和美国普遍采用导模法生产氧化镓，一个4英寸的坩埚就需要5公斤的铱，可以说贵得惊人。

而杨院士团队提出了一种新的工艺熔体法来生产氧化镓，可以减少80%的铱用量，从而显著降低生产成本，只有导模法的1/10。该团队自去年生产出2英寸的晶圆后，目前又取得重大突破，生产出了4英寸的晶圆。

与此同时，中国电科46所也取得了重大突破，今年3月已制备出高质量的8英寸氧化镓外延片，达到了国际最高水平。