GaN類(lèi)功率二極管的產(chǎn)品特性：

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

GaN類(lèi)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(kāi)發(fā)及銷(xiāo)售等業(yè)務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)POWDEC，開(kāi)發(fā)出了利用GaN類(lèi)半導(dǎo)體的肖特基勢(shì)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(lèi)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(guò)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(lèi)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(kāi)發(fā)上的焦點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)GaN類(lèi)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(lèi)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(chēng)為“緩沖層”的多層膜。然而，“多層膜的制造時(shí)間較長(zhǎng)，容易導(dǎo)致制造成本上升”（POWDEC）。

另外，在Si基板上制造的GaN類(lèi)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(yáng)極呈橫向排列。但橫型GaN 類(lèi)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(guò)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(yáng)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(guò)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(guò)，如果只是在藍(lán)寶石基板上使GaN類(lèi)半導(dǎo)體結(jié)晶生長(zhǎng)，就會(huì)出現(xiàn)以下三個(gè)問(wèn)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(wú)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(wèn)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(zhǎng)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(zhǎng)出來(lái)。這時(shí)GaN結(jié)晶就會(huì)在向上生長(zhǎng)的同時(shí)橫向生長(zhǎng)。而橫向生長(zhǎng)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(zhǎng)，因此實(shí)用化有了眉目。POWDEC十分興奮：“如此之長(zhǎng)前所未有”。實(shí)際上ELO法雖是歷史很長(zhǎng)的技術(shù)，但很難使其在橫向上長(zhǎng)長(zhǎng)。

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(zhǎng)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(lái)。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(guò)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(zhǎng)0.2mm的部分相當(dāng)于上述ELO橫向生長(zhǎng)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(lái)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(kāi)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。