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POWDEC推出耐压600V的低成本纵型GaN类功率二极管 |
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| http://cn.newmaker.com
12/2/2010 8:58:00 AM
日经BP社
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从事GaN外延基板开发及销售等业务的风险企业POWDEC，开发出了利用GaN类半导体的肖特基势垒二极管（SBD），并于2010年11月30日在东京举行了记者发布会。据介绍，该二极管是面向逆变器电路及功率因数校正电路等功率用途的产品，耐压可确保在600V以上。其特点在于，在利用GaN类半导体的情况下，仍可低成本制造。POWDEC认为“原则上有望以相当于LED的低成本制造”。该公司表示，通过使用蓝宝石基板，降低制造成本已有了眉目。目标是2012年之前量产。
包括功率晶体管在内的GaN类功率半导体元件，与现有Si制功率半导体元件相比，是有望大幅减少功率损失的新一代功率半导体的一种。随着电气特性的提高，其制造成本的削减成了开发上的焦点。
为实现GaN类功率半导体元件的成本削减，使用Si基板的方法成了主流。而Si与GaN类半导体的热膨胀系数及晶格常数不同。因此，为了减轻这一差异，一般要在Si基板上层叠称为“缓冲层”的多层膜。然而，“多层膜的制造时间较长，容易导致制造成本上升”（POWDEC）。
另外，在Si基板上制造的GaN类功率半导体元件，以各种电极横向排列的横型构造为主流。如果是二极管的话，阴极和阳极呈横向排列。但横型GaN类半导体元件存在难以提高电气特性的课题。比如，在施加高逆电压后再施加顺电压使电流流过时，容易发生电流值比初始值降低的“电流崩塌效应”。而且，耐压也很难提高。
要确保出色的电气特性，并实现芯片表面配置阳极、背面配置阴极的纵型构造，就需要采用GaN基板。但GaN基板不仅口径小只有2英寸，而且价格也高。蓝光光驱的光源使用的蓝紫色半导体激光器就普遍使用2英寸的GaN基板。如果是芯片面积较小的激光元件，还有望推出产品，但功率元件因要流过大电流，因此芯片尺寸会变大，难以获利。
凭借两项措施攻克三项难题
因此，POWDEC采用了使用口径比GaN基板大且价格便宜的蓝宝石基板的方法。不过，如果只是在蓝宝石基板上使GaN类半导体结晶生长，就会出现以下三个问题：①位错等结晶缺陷较多而难以确保高耐压；②在下面无法形成电极，③因为是蓝宝石，所以热阻会变大。
为了解决这些问题，该公司在制造工序上采取了两项措施。一是为在蓝宝石基板上生长出高品质的GaN结晶，使用了“ELO（Epitaxial Lateral Overgrowth）”法。ELO法对蓝宝石基板上施以掩模处理，使GaN结晶从掩模间隙的“窗口”部分生长出来。这时GaN结晶就会在向上生长的同时横向生长。而横向生长的GaN结晶在掩模上（两翼上）的部分很少有错位发生。
此次由于实现了幅宽100μm的横向生长，因此实用化有了眉目。POWDEC十分兴奋：“如此之长前所未有”（POWDEC）。实际上ELO法虽是历史很长的技术，但很难使其在横向上长长。
两翼上的GaN结晶的位错密度为105～106cm-2以上。与蓝紫色半导体激光器使用的GaN基板相当。而掩模窗口部分的位错密度较高，在107cm-2以上。
另一项措施是使横向生长的GaN结晶与蓝宝石基板分离。原因是身为绝缘体的蓝宝石基板会妨碍纵型构造形成。其方法虽未公布，但为了使GaN结晶与蓝宝石分离，将使用带焊锡的Si基板。
将带有GaN结晶的蓝宝石基板接近带有焊锡的Si基板，使GaN结晶分离。这时，将GaN结晶一侧靠向焊锡一侧。加热使焊锡熔化，待冷却后将GaN结晶从蓝宝石基板上剥离下来。作为掩模的SiO2与GaN结晶“不会发生化学键合，比较容易分离”（POWDEC）。
尽管在制造工序上采取了这两项措施，“但与使用多层膜即缓冲层的方法相比，前工序所需的时间仍较短”（POWDEC）。
耐压1000V、支持6英寸口径也将是目标
通过这些制造上的措施，实现了施加620V逆电压时泄漏电流在1mA/cm2以下的纵型二极管。按10A级元件换算，泄漏电流仅为数10μA。
今后该公司还考虑使1mm×0.2mm尺寸的元件实现实用化。长0.2mm的部分相当于上述ELO横向生长时的幅宽。虽然目前仅在0.1mm以上，但实现这一横宽已有了眉目。该芯片尺寸下的电流容量为1A左右。将以该尺寸的芯片为单位，利用多个元件来实现大电流化。估计还可实现数10A级的产品。
此次开发品的厚度只有20μm，可降低导通电阻和热阻，因此容易降低损耗、高温工作及封装小型化。
在耐压方面，POWDEC表示还可达到1000V。而且，在蓝宝石基板的口径方面，如果准备好制造装置，还可支持6英寸的基板。（记者：根津 祯）
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