世界上首次用HVPE法在6英寸晶片上成功形成氧化镓——为功率器件的低成本化和新一代EV的节能化做出贡献

在NEDO的“战略性节能技术革新计划”中，大阳日酸(株)与东京农工大学及(株)诺贝尔水晶技术合作，世界上首次成功地利用卤化物气相沉积( HVPE )法在6英寸晶片上形成了作为新一代半导体材料而备受瞩目的氧化镓(β-Ga2O3)。

  该成果使能够制造大口径且多片外延晶片的β-Ga2O3批量生产成膜装置的开发取得了很大进展，有助于实现成膜成本成为课题的β-Ga2O3外延晶片的大口径低成本化。 如果β-Ga2O3功率器件广泛普及，则有望实现产机用电机控制的逆变器、住宅用太阳能发电系统的逆变器、新一代EV等的节能化。

图1在6英寸测试晶片上成膜的β-Ga2O3薄膜

1 .概述 氧化镓(β-Ga2O3)※1与碳化硅( SiC )※2和氮化镓( GaN )※3相比具有更大的带隙※4，因此基于β-Ga2O3的晶体管和二极管具有高耐压、高输出、高效率 β-Ga2O3功率器件的开发，日本处于世界领先地位，2021年，株式会社诺贝尔水晶技术成功开发了使用卤化物气相沉积( HVPE )法※6的小口径4英寸β-Ga2O3外延晶片※7，并进行了制造销售※8 作为该外延成膜的基础的β-Ga2O3晶片与SiC和GaN不同，能够通过体晶培育迅速的熔体生长来制造，因此容易得到大口径、低价格的β-Ga2O3晶片，有利于功率器件的低价格化。 但是，β-Ga2O3的成膜所采用的HVPE法能够实现低廉的原料成本和高纯度成膜，另一方面存在基于HVPE法的成膜装置只有小口径( 2英寸或4英寸)且单片式的装置被实用化的课题。 因此，为了降低成膜成本，通过HVPE法实现大口径( 6英寸或8英寸)的批量式批量生产装置是不可缺少的。 在这样的背景下，大阳日酸株式会社在NEDO (国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构)的“战略性节能技术革新计划※9/面向新一代功率器件的氧化镓用的大口径批量生产型外延成膜装置的研究开发”项目中，开发了β-Ga2O3 在本程序的培育研究开发阶段( 2019年度)进行了作为HVPE法原料的金属氯化物※10的外部供给技术※11开发，在实用化开发阶段( 2020年度~2021年度)为了确立批量生产装置的基础技术，进行了6英寸叶片式HVPE法的外部供给技术※11开发 而且，这次在世界上首次成功地在6英寸晶片上成膜了β-Ga2O3。 2 .这次成果 大阳日酸(株)开发了6英寸叶片式HVPE装置(图2 )，在世界上首次成功地在6英寸测试晶片(使用蓝宝石基板)上成膜了β-Ga2O3(图1 )。 另外，通过成膜条件的优化和采用独自的原料喷嘴结构，证实了在6英寸测试晶片上的β-Ga2O3成膜，以及确认了能够实现β-Ga2O3膜厚分布±10%以下等在面内均匀的成膜(图3 )。 通过本成果确立的大口径基板上的成膜技术和硬件设计技术，可以构筑β-Ga2O3成膜装置的平台，因此大口径批量生产装置的开发可以取得很大进展。 这样，通过β-Ga2O3成膜工艺和应用设备带来的功耗降低，预计到2030年将达到21万kL/年左右的节能效果量。

图2开发的用于β-Ga2O3成膜的6英寸单片式HVPE装置的外观照片

图β-Ga2O3在6英寸测试晶片上膜厚分布

3 .今后的安排 大阳日酸(株)在NEDO事业中继续开发用于β-Ga2O3成膜批量生产装置，今后进行使用6英寸β-Ga2O3晶片的外延成膜，通过β-Ga2O3薄膜的电特性评价和膜中存在的缺陷评价，得到高品质的β- ga2o 2 另外，确立β-Ga2O3外延晶片的量产技术后，目标是2024年度量产装置的产品化。 用HVPE法制造的β-Ga2O3外延晶片主要用于SBD※12和FET※13，因此预计2030年度将成长为约590亿日元规模的市场(根据株式会社富士经济“2020年版新一代功率器件&功率电瓷相关设备市场的现状和未来展望”) 今后将实现批量生产装置，通过进入β-Ga2O3成膜装置市场和普及Ga2O3功率器件，为促进新一代EV等的节能化做出贡献。 NEDO今后也将以实现兼顾经济增长的可持续节能为目标，以《节能技术战略》中提出的能源、产业、民生(家庭业务)、运输部门等方面的重要技术为中心，关于预计2030年有较高节能效果的技术，在事业化之前无缝地支持技术开发。

【注释】 ※1氧化镓(β-Ga2O3) 氧化镓是继碳化硅和氮化镓之后的“第三功率器件用宽带隙半导体”，受到关注的化合物半导体。 是作为功率器件的理论性能压倒性地高于硅，也超过碳化硅和氮化镓的优异材料。 ※2碳化硅( SiC ) SiC是碳和硅的化合物，是主要用于高耐压大电流用途的宽带隙半导体材料。 ※3氮化镓( GaN ) GaN是镓和氮的化合物，具有比SiC更稳定的结合结构，是绝缘破坏强度更高的宽带隙半导体。 主要用于开关电源等小型高频用途。 ※4带隙 电子和空穴从价带迁移到导带所需的能量。 将该值大的半导体定位为宽带隙半导体，带隙越大，绝缘破坏强度越高。 β-Ga2O3的带隙约为4.5eV，比Si(1.1eV )、4H-SiC(3.3eV )及GaN(3.4eV )的值大。 ※5功率器件 用于电力转换的半导体元件，用于逆变器和转换器等电力转换器。 ※6卤化物气相沉积( HVPE )法 指以金属氯化物气体为原料的结晶生长方法。 其优点是可以高速生长和高纯度成膜。 ※7 β-Ga2O3外延晶片 是指在晶片上形成β-Ga2O3的薄膜形成晶片。 在成为晶片的晶体上进行晶体生长，在基底晶片的晶面上对齐原子排列的生长称为外延生长(外延生长) ※8成功开发4英寸β-Ga2O3外延晶片，制造销售 (参考) 2021年6月16日新闻发布 打开另一个窗口。高质量β型氧化镓100mm外延晶片的开发成功了 ※9战略性节能技术创新计划 摘要:站点内链接战略性节能技术创新方案 ※10金属氯化物 是作为HVPE法金属原料的化合物，代表性的金属氯化物有GaCl、GaCl3、AlCl、AlCl3、InCl、InCl3等。 ※11外部供应技术 在HVPE法中，将金属氯化物生成部和成膜部独立分离，从反应炉外部使用配管等供给金属氯化物的技术。 ※12 SBD 肖特基势垒二极管( sbd )。 不是PN结，而是使用某种金属和n型半导体的结的二极管。 其优点是与其他二极管相比效率高、开关速度快。 ※13 FET 场效应晶体管( FET:Field Effect Transistor )。 是指通过向栅极电极施加电压，利用沟道区域产生的电场控制电子或空穴的密度，控制源极、漏极电极之间的电流的晶体管。 在报纸、电视等中介绍本机构的名称时，请使用“NEDO (国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构)”或“NEDO”。