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POWDEC推出耐壓600V的低成本縱型GaN類功率二極管

發(fā)布時(shí)間:2010-12-03 來源:日經(jīng)BP社

GaN類功率二極管的產(chǎn)品特性:

  • 耐壓可確保在 600V以上
  • 利用GaN類半導(dǎo)體,仍可低成本制造
  • 大幅減少功率損失

GaN類功率二極管的應(yīng)用范圍:

  • 面向逆變器電路及功率因數(shù)校正電路等功率用途

從事GaN外延基板開發(fā)及銷售等業(yè)務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)POWDEC,開發(fā)出了利用GaN類半導(dǎo)體的肖特基勢壘二極管(SBD),并于2010年11月30日在東京舉行了記者發(fā)布會(huì)。據(jù)介紹,該二極管是面向逆變器電路及功率因數(shù)校正電路等功率用途的產(chǎn)品,耐壓可確保在 600V以上。其特點(diǎn)在于,在利用GaN類半導(dǎo)體的情況下,仍可低成本制造。POWDEC認(rèn)為“原則上有望以相當(dāng)于LED的低成本制造”。該公司表示,通過使用藍(lán)寶石基板,降低制造成本已有了眉目。目標(biāo)是2012年之前量產(chǎn)。

包括功率晶體管在內(nèi)的GaN類功率半導(dǎo)體元件,與現(xiàn)有Si制功率半導(dǎo)體元件相比,是有望大幅減少功率損失的新一代功率半導(dǎo)體的一種。隨著電氣特性的提高,其制造成本的削減成了開發(fā)上的焦點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)GaN類功率半導(dǎo)體元件的成本削減,使用Si基板的方法成了主流。而Si與GaN類半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)及晶格常數(shù)不同。因此,為了減輕這一差異,一般要在Si基板上層疊稱為“緩沖層”的多層膜。然而,“多層膜的制造時(shí)間較長,容易導(dǎo)致制造成本上升”(POWDEC)。

另外,在Si基板上制造的GaN類功率半導(dǎo)體元件,以各種電極橫向排列的橫型構(gòu)造為主流。如果是二極管的話,陰極和陽極呈橫向排列。但橫型GaN 類半導(dǎo)體元件存在難以提高電氣特性的課題。比如,在施加高逆電壓后再施加順電壓使電流流過時(shí),容易發(fā)生電流值比初始值降低的“電流崩塌效應(yīng)”。而且,耐壓也很難提高。

要確保出色的電氣特性,并實(shí)現(xiàn)芯片表面配置陽極、背面配置陰極的縱型構(gòu)造,就需要采用GaN基板。但GaN基板不僅口徑小只有2英寸,而且價(jià)格也高。藍(lán)光光驅(qū)的光源使用的藍(lán)紫色半導(dǎo)體激光器就普遍使用2英寸的GaN基板。如果是芯片面積較小的激光元件,還有望推出產(chǎn)品,但功率元件因要流過大電流,因此芯片尺寸會(huì)變大,難以獲利。

憑借兩項(xiàng)措施攻克三項(xiàng)難題

因此,POWDEC采用了使用口徑比GaN基板大且價(jià)格便宜的藍(lán)寶石基板的方法。不過,如果只是在藍(lán)寶石基板上使GaN類半導(dǎo)體結(jié)晶生長,就會(huì)出現(xiàn)以下三個(gè)問題:①位錯(cuò)等結(jié)晶缺陷較多而難以確保高耐壓;②在下面無法形成電極,③因?yàn)槭撬{(lán)寶石,所以熱阻會(huì)變大。

為了解決這些問題,該公司在制造工序上采取了兩項(xiàng)措施。一是為在藍(lán)寶石基板上生長出高品質(zhì)的GaN結(jié)晶,使用了“ELO(Epitaxial Lateral Overgrowth)”法。ELO法對(duì)藍(lán)寶石基板上施以掩模處理,使GaN結(jié)晶從掩模間隙的“窗口”部分生長出來。這時(shí)GaN結(jié)晶就會(huì)在向上生長的同時(shí)橫向生長。而橫向生長的GaN結(jié)晶在掩模上(兩翼上)的部分很少有錯(cuò)位發(fā)生。

此次由于實(shí)現(xiàn)了幅寬100μm的橫向生長,因此實(shí)用化有了眉目。POWDEC十分興奮:“如此之長前所未有”。實(shí)際上ELO法雖是歷史很長的技術(shù),但很難使其在橫向上長長。

兩翼上的GaN結(jié)晶的位錯(cuò)密度為105~106cm-2以上。與藍(lán)紫色半導(dǎo)體激光器使用的GaN基板相當(dāng)。而掩模窗口部分的位錯(cuò)密度較高,在107cm-2以上。

另一項(xiàng)措施是使橫向生長的GaN結(jié)晶與藍(lán)寶石基板分離。原因是身為絕緣體的藍(lán)寶石基板會(huì)妨礙縱型構(gòu)造形成。其方法雖未公布,但為了使GaN結(jié)晶與藍(lán)寶石分離,將使用帶焊錫的Si基板。

將帶有GaN結(jié)晶的藍(lán)寶石基板接近帶有焊錫的Si基板,使GaN結(jié)晶分離。這時(shí),將GaN結(jié)晶一側(cè)靠向焊錫一側(cè)。加熱使焊錫熔化,待冷卻后將GaN結(jié)晶從藍(lán)寶石基板上剝離下來。作為掩模的SiO2與GaN結(jié)晶“不會(huì)發(fā)生化學(xué)鍵合,比較容易分離”(POWDEC)。

盡管在制造工序上采取了這兩項(xiàng)措施,“但與使用多層膜即緩沖層的方法相比,前工序所需的時(shí)間仍較短”(POWDEC)。

耐壓1000V、支持6英寸口徑也將是目標(biāo)

通過這些制造上的措施,實(shí)現(xiàn)了施加620V逆電壓時(shí)泄漏電流在1mA/cm2以下的縱型二極管。按10A級(jí)元件換算,泄漏電流僅為數(shù)10μA。

今后該公司還考慮使1mm×0.2mm尺寸的元件實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。長0.2mm的部分相當(dāng)于上述ELO橫向生長時(shí)的幅寬。雖然目前僅在0.1mm以上,但實(shí)現(xiàn)這一橫寬已有了眉目。該芯片尺寸下的電流容量為1A左右。將以該尺寸的芯片為單位,利用多個(gè)元件來實(shí)現(xiàn)大電流化。估計(jì)還可實(shí)現(xiàn)數(shù)10A級(jí)的產(chǎn)品。

此次開發(fā)品的厚度只有20μm,可降低導(dǎo)通電阻和熱阻,因此容易降低損耗、高溫工作及封裝小型化。

在耐壓方面,POWDEC表示還可達(dá)到1000V。而且,在藍(lán)寶石基板的口徑方面,如果準(zhǔn)備好制造裝置,還可支持6英寸的基板。

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