全球首次用HVPE法在6英寸晶圆上成功制备氧化镓薄膜

氧化镓（β-Ga2O3）作为新一代半导体材料而备受瞩目，近日，在NEDO的战略性节能技术革新计划中，Novel Crystal Technology,Inc. （以下略称 Novel）与大阳日酸及东京农工大学共同开发了氧化镓（β-Ga2O3）的卤化物气相外延（HVPE）法。

基于该成果，在开发能够制造大尺寸且多片外延片的β-Ga2O3批量生产成膜设备方面取得了很大进展，有助于实现β-Ga2O3外延片的大尺寸低成本化。如果β-Ga2O3功率器件广泛普及，则有望实现工业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英寸测试衬底上形成的β-β-Ga2O3薄膜

01 概述

氧化镓β-Ga2O3与碳化硅和氮化镓相比具有更宽的禁带，因此基于β-Ga2O3的晶体管和二极管具有高耐压、高输出、高效率的特性。

日本在β-Ga2O3功率器件的开发领域处于世界领先地位， 2021年Novel成功开发了使用HVPE法的4英寸β-Ga2O3外延片，并进行了制造销售。作为该外延成膜的基础，β-Ga2O3衬底与SiC和GaN不同，其晶锭是通过经济高效的的熔体法来制造，因此容易得到大尺寸、低价格的β-Ga2O3晶圆，有利于功率器件的低成本化。

β-Ga2O3外延成膜所采用的HVPE法能够实现低廉的原料成本和高纯度成膜，但基于HVPE法的成膜设备，目前只有小尺寸(2/4英寸)且单片式的设备被实用化。因此，为了降低成膜成本，大尺寸（6/8英寸）的批量式生产设备是不可缺少的。

在这样的背景下，Novel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/面向新一代功率器件的氧化镓用大尺寸批量生产型外延成膜设备的研究开发”项目中制作了β-Ga2O3，在培育研究开发阶段 (2019年度)进行了作为HVPE法原料的金属氯化物的外部供给技术开发。

在实用化开发阶段 (2020年度~2021年度)，为了确立批量生产设备的基础技术，进行了6英寸叶片式HVPE法的外部供给技术开发。这是世界上首次成功在6英寸晶圆上外延生长出β-Ga2O3薄膜 。

02 本次成果

Novel、大阳日酸及东京农工大学开发了6 英寸叶片式 HVPE 设备（图2)，在世界上首次成功地在6英寸测试晶圆（使用蓝宝石衬底）上进行了β-Ga2O3成膜（图 1) 。

另外，通过优化成膜条件和采用独立原料喷嘴结构，验证了在6英寸测试晶圆上的β-Ga2O3成膜，以及确认了能够实现β-Ga2O3膜厚分布±10%以下的面内均匀成膜（图3）。

研究成果表明，大尺寸衬底上的成膜技术和硬件设计技术可以构筑β-Ga2O3成膜设备平台，因此，大尺寸批量生产设备的开发取得了很大进展。β-Ga2O3成膜工艺和应用设备能够降低功耗，预计节能量在2030年将达到21万kL/年左右。

图2 用于β-Ga2O3成膜的 6 英寸单片式 HVPE 装置的外观照片

图 3 β-Ga2O3在6英寸测试晶圆上膜厚分布

03 未来计划

Novel、大阳日酸及东京农工大学在NEDO 事业中将继续开发用于β-Ga2O3成膜批量生产设备，并使用6英寸β-Ga2O3晶圆的外延成膜，通过β-Ga2O3薄膜的电特性评价和膜中存在的缺陷评价，实现高品质的β-Ga2O3外延层。

另外，开发出β-Ga2O3外延片的量产技术后，研究团队的目标是在2024年实现量产设备的商品化。用HVPE法制造的β-Ga2O3外延片主要用于SBD和FET，因此预计2030年相关功率器件市场规模将成长至约590亿日元（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”)。

未来，Novel将实现成膜设备的批量生产，并通过进入β-Ga2O3成膜设备市场及普及β-Ga2O3功率器件，助推新一代EV等的节能化。

来源：化合物半导体市场 Jenny