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GaN在CS国际会议上占据耀眼C位

2022/7/19 7:56:52      材料来源:化合物半导体

CS国际会议的演讲者强调了GaN器件现在如何将更高的阻断电压与卓越的效率相结合,在RF中提供令人难以置信的高功率密度,并以microLED的形式覆盖所有可见光谱
 
为了加强其良好的信誉,CS国际会议继续报道化合物半导体行业的最大突破。
 
2022年6月28日至29日,在布鲁塞尔举行的CS国际会议(与PIC国际会议和传感器国际会议同场举办)上,来自工业界和学术界的领导人发表了近40场关于化合物半导体器件和相关材料的演讲。这些演讲是在五大议题上进行的,分别为:快速、高速短延时网络;挖掘GaN的辉煌潜力;打造价值数十亿美元的SiC产业;卓越的表面发射器;microLED的多重市场。
 
参加AngelTech(CS国际会议和两个同期会议的总称)的600多名代表也从展厅的巨大交流机会中受益。在礼堂外这个区域,与会者可以与演讲者交谈或询问70家赞助商提供的设备和支持服务的最新进展。
 
在CS国际会议的演讲中,许多业界广泛持有的观点都受到了审视。在场的人会思考,硅是否真的是GaN功率器件的最佳衬底,MOCVD是否是最适合的生长技术,以及AlInGaP是否会在基于microLED的显示器中发挥作用。
 
转向蓝宝石
 
多年来,SiC一直是迄今为止制造GaN射频器件最广泛采用的衬底。但对于功率器件并非如此——这种衬底太贵了,所以硅占主导地位。但是作为无数LED衬底的蓝宝石呢?它是否可以在光电领域之外发挥作用?
 
根据Transphorm的首席技术官Geetak Gupta的说法,蓝宝石是扩展GaN功率器件击穿电压的绝佳选择。他认为,对于1.2kV晶体管,由蓝宝石基GaN形成的FET可以提供高达99%的效率。这足以胜过SiC MOSFET,并使GaN FET在新一代电动汽车中处于有利地位,这些电动汽车将在配备800V电池的汽车中使用击穿电压约为1.2kV的电子器件——这是目前使用的标准电池电压的两倍。
 
请注意,Transphorm无意将其650V GaN FET的衬底从硅换成蓝宝石。这是因为这些器件在输出功率低于10kW时,其效率比SiC同类器件高25%到38%,因此已经占了上风。
 
但在更高的电压下,改用蓝宝石的理由是令人信服的。要产生1.2kV或更高的阻断电压,硅上GaN外延层的厚度必须超过10微米。这增加了成本,阻碍了整个过程,并有可能使晶圆变形。
 
在这里,蓝宝石是一个很好的解决方案,Gupta倡议。他解释说,蓝宝石价格便宜,在200毫米制式中可广泛应用,其绝缘特性允许在给定阻断电压下减少总外延厚度,并且晶圆可以通过CMOS兼容的生产线运行。此外,封装和切割可以利用GaN LED基础设施。
 
Transphorm的团队通过将HEMT与低压硅MOSFET相结合,生产了一种常关器件。这种混合器件在1.4kV(硬击穿为2kV)下具有超过4V的阈值电压和超过2微安的漏电流,在脉冲模式下驱动时可以通过超过160A。
 
蓝宝石的弱点是导热率低,但这可以通过减薄衬底来解决。Transphorm已将其减薄到200微米。
 
使用降压转换器对1.2kV FET进行基准测试,该转换器在100kHz开关频率下将电压从900V降至450V,展示了这种蓝宝石上GaN技术的潜力。Gupta表示,使用SiC MOSFET的转换损耗要高出8-9%,而且GaN器件仍有优化空间。
 
从MOCVD到HVPE
 
在CS国际会议上,Kyma的首席执行官Heather Splawn对制造GaN晶体管的标准生长技术提出了挑战,他主张“HVPE for HVPE”——这是一个朗朗上口的短语,是在高压功率器件中使用氢化物气相外延的缩写。Splawn认为,对于更高的阻断电压,例如1.7kV,器件应该是垂直的。这就需要厚层,而厚层通过“更快、更干净”的HVPE工艺沉积更好。根据Splawn的说法,自支撑GaN衬底需要发展,目前它价格昂贵,但随着产量的增加,成本应该会下降。
 
Kyma在开发用于GaN外延层生长的HVPE反应器方面有着很强的传统。早在1998年,它就生产了第一个HVPE生长工具,现在正在提供其第六代反应器,名为Katharo。该工具可以容纳直径达200毫米的晶圆,并以最快每小时150微米的生长速度形成低碳密度的厚膜层。
 
对HVPE技术的批评之一是它在陡峭界面的生长方面不如MOCVD。Splawn和她的同事正在通过开发从高生长率转换到较低生长率、以及从n型材料转换到p型材料的技术来解决这个问题。
 
RF:提高电压
 
对于RF GaN,提高性能的方法之一是转向更高的电压。提高电压可成比例地提升器件的增益和功率密度。此外,负载线电阻会发生变化,通常更容易确保阻抗匹配。转向更高的电压的结果是,它以更低的成本打开了通往更高系统效率的大门。
 
弗劳恩霍夫IAF的一个小组正在追求这一目标,开发工作电压为100V的GaN器件。在CS国际会议上,该团队发言人Sebastian Krause描述了转向更高电压的挑战以及迄今为止的进展。
 
Krause解释说,转向更高的电压会增加电场的强度,进而可能导致载流子的俘获、可靠性受损、漏电流增加和电流增益减少。虽然所有这些问题都可以通过引入场板来解决,但这可能会引入额外的输出电容,这在更高的电压下是一个更大的障碍。
 
IAF的团队使用4英寸SiC作为衬底,生产具有双场板和衬底通孔的AlGaN/GaN HEMT。由此产生的芯片,每个1.5毫米x3.75毫米能够产生600瓦的功率。“这不是一个很大的器件,尤其是考虑到它产生的功率时。”Krause说。
 
RF测量结果显示截止频率为10GHz,表明有可能操作到X波段。根据7.2GHz的负载牵引测量,功率附加效率在10W/mm时为66%。
 
在整个可见光的范围内
 
涉及直接发射的全彩LED显示器的生产往往涉及由GaN和基于AlInGaP的红色发射器制成的蓝色和绿色变体。一个可能更简单的替代方案是仅使用GaN,但由于材料问题和强大的内部电场,在更长的波长下效率会急剧下降。
 
然而,仍然可以生产覆盖整个可见光范围的GaN LED。Porotech的Ellie Galanis在CS国际会议上展示了一段视频,其中显示了一个覆盖所有波长的微小像素,及其产生的白色发射。尽管观众试图提取这些关键细节,但这种被称为“动态像素技术”的microLED技术的工作原理还处于保密状态。然而,Galanis也的确透露了波长的变化来自像素驱动条件的变化。
 
Porotech成功背后的核心技术是其多孔GaN的产生,它可以控制可能阻碍红色氮化物LED效率的应变。Porotech最近与IQE合作以加速这种方法的商业化。
 
其他材料
 
虽然GaN在今年的CS国际会议上占据了中心位置,但也有大量讲座详细介绍了其他材料的重要进展。其中包括:英飞凌在SiC器件方面的扩展,其背景是一个蓬勃发展的行业,到这一个十年的后半期价值将达到60亿美元(今年CS国际会议的报告将成为本季度报道的重点,这些报告将刊于英文版issue VI这一期);Trumpf推出具有集成光学器件的GaAs VCSEL(详细信息见最新文章:VCSEL:集成背面光学器件);以及NTT开发的InP薄膜激光器以加速光通信。
 
各种化合物半导体技术的进一步突破肯定会成为明年CS国际会议的核心,新冠疫情过去之后,CS国际会议将回到其传统的早春时段。AngelTech定于4月18日至19日,地点在布鲁塞尔的喜来登酒店。
 
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