新開發低成本GaN基板製造設備,成本可望降至1/10

 

刊登日期:2018/10/9
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日本太陽日酸公司與東京農工大學目前正在著手進行低成本次世代功率半導體─氮化鎵(Gallium Nitride;GaN)基板之製造手法的開發,透過可提高GaN結晶成長速度與品質的新製法,開發團隊計畫將基板的製造成本降低至一般製法的10分之1。一旦克服了製造成本的課題,GaN功率半導體也將可望普及至行動電話基地台或數據中心的伺服器機器等電力轉換用途方面。

功率半導體元件是實現電能傳輸轉換及最佳控制之關鍵零組件,主要用途包括變頻、整流、變壓、功率放大、功率控制等,並同時可具有節能的功效,應用範圍從一般工業控制和4C產業,擴展到新能源、交通、先進製造、智慧電網等新領域;不論民生、交通、工業,舉凡電力應用,均與其息息相關。其中碳化矽(Silicon Carbide;SiC)與GaN以高效的光電轉化能力、優異的高頻功率特性、高溫性能穩定以及低能量耗損等優勢,不僅可使晶片面積可大幅減少,並能簡化周邊電路的設計,實現裝置的小型化。

在次世代功率半導體的研發與應用方面,碳化矽(SiC)較早開始發展,但在性能面上,耐壓性、應達速度具備優勢的GaN也緊追在後。唯在GaN基板的製造上,要形成厚膜的結晶成長較為困難,仍有技術課題待解決,因此現階段採用GaN磊晶成長在藍寶石或矽基板上的手法,但GaN磊晶品質則與所使用的基板表面加工品質息息相關,在成膜與品質面都仍有課題待解決。

有鑑於此,太陽日酸與東京農工大學即在日本科學技術振興機構(Japan Science and Technology Agency;JST)主導的產學共同實用化開發事業之下,展開GaN基板新製法相關之裝置開發。新製法係利用三氯化鎵(Gallium(III) Trichloride;GaCl3)做為原料,並利用比氫化物氣相磊晶法(Hydride Vapor Phase Epitaxy;HVPE)還要高溫的1300℃以上的溫度來生長GaN結晶,以更快速度的結晶生長來製造高品質的圓柱狀體晶(Bulk Crystal)。且可如同矽基板般將形成體晶薄層,量產出GaN基板。相較於以氫化物氣相磊晶法製造GaN基板,一片約直徑2英吋就需要數十萬日圓,新製法的製造成本可望控制在10分之1。此外,使用三氯化鎵之後,結晶會以倒梯形成長,將可望適用於基板的大口徑化。

然而此項世界首度開發的製法也有其困難之處。其中之一就是受到超過1300℃的高溫與氯化物氣體的影響,在GaN結晶的生長過程中,造成基板劣化的問題。針對此問題,開發團隊計畫導入防腐蝕的塗佈技術,並預計在2018年度內完成試作裝置,並對基板製造業者展開介紹。

根據日本市調機構富士經濟的預測顯示,2017年GaN功率半導體的市場規模為18億日圓,到了2030年將可望達到1300億日圓。此外,功率半導體製造裝置的市場規模方面,2030年將可望比2017年成長2.2倍,擴大到3953億日圓。雖然市場規模主要是以SiC功率半導體為中心,但預計將會在2020年左右開始量產的GaN功率半導體,其相關設備投資也將會有所成長。


資料來源: 化學工業日報 / 材料世界網編譯
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