韩国电子通信研究院开发出3kV级氧化镓外延层和器件技术

在韩国文化体育观光部的支持下，韩国政府资助的非营利性电子通信研究院（ETRI）与韩国陶瓷工程技术研究所（KICET）合作，开发出了氧化镓（Ga2O3）功率半导体的核心材料和器件工艺技术，即韩国开发的首款3kV级氧化镓功率半导体金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）器件。

氧化镓作为下一代功率半导体的关键材料，一直受到世界各国的积极研究。日本和美国在这一领域一直占据技术优势，但韩国电子通信研究院认为其发展已将差距缩小。

图片：Mun Jae-kyoung博士的研究团队

3kV级适用于城市轨道、地铁和超高速电动汽车充电器。在超高速电动汽车充电器中采用3kV级氧化镓功率半导体可大幅缩短充电时间，即从30分钟缩短至不到20分钟。

功率半导体器件是国家各行业（包括移动和量子通信、电动汽车、太阳能和风能发电、电力传输、国防、航空航天、量子计算）使用的重要组件，因此成为韩国涉及材料、元件和设备的12项国家战略技术之一。然而，目前韩国95%以上的功率半导体器件依赖国外进口。因此，从韩国实现国家战略技术自力更生的角度来看，下一代氧化镓功率半导体材料和器件技术的本土化具有重要意义。

研究团队开发的氧化镓外延层技术涉及在单晶衬底上生长多层高品质导电薄膜的工艺。

韩国陶瓷工程技术研究所Jeon Dae-woo博士研究团队利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术实现了高品质beta- Ga2O3外延生长技术的本土化，该技术有望在全球范围内用于大规模生产大直径外延晶圆。这项技术不仅能生长纳米至微米厚度的外延层，还能在很大范围内调节电子浓度。因此，该技术有利于开发具备不同电压和电流能力的功率半导体器件，使自身更接近大规模生产技术。

此外，该团队开发的氧化镓器件工艺技术提出一种用于制造大尺寸功率半导体器件的晶圆级集成工艺技术。该技术包括在Ga2O3衬底的外延层上形成微图案，以及进行低损伤蚀刻、沉积和热处理。

韩国电子通信研究院Mun Jae-kyoung博士研究团队利用韩国陶瓷工程技术研究所研究团队直接开发的外延层，而非从日本进口的单晶晶圆上的商业外延层，开发出了性能卓越的3kV级MOSFET器件。

特别是，开发出一种可将漏电流降低到皮安（pA）级的新型外延结构。此外，所得成果还包括开发出新的器件和工艺技术，大大提高了击穿电压，使其超过3kV。

氧化镓功率半导体技术的本土化对于提高下一代全球竞争力及抢占新市场至关重要，尤其在目前氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等大多数宽禁带（WBG）功率半导体技术依赖于海外资源的情况下。

研究团队指出，与现有功率半导体相比，开发氧化镓外延层和功率半导体MOSFET技术可将制造成本降低三分之一到五分之一。该团队认为，通过本土化来降低成本，韩国能够在下一代功率半导体这一高附加值产业中占据领先地位。

此外，氧化镓半导体具有卓越的材料特性，能够承受更高的电压。这不仅能将功率半导体器件的尺寸缩小50%或更多（促进器件小型化），还能提高功率转换效率。因此，功率半导体器件的性能可提高十倍以上，与现有功率半导体相比，这些器件的价格竞争力可提高20倍以上。

研究团队解释道，氧化镓功率半导体器件不仅能提高功率转换效率，还能大幅缩小逆变器系统和转换器系统的尺寸，使其缩至现有尺寸的十分之一以下。

预计这些器件会应用于输配电网络、高速铁路、数据中心、量子计算机、电动汽车等大功率行业，大大提高节能效果。

专注于利用电镀工艺实现4英寸Ga2O3功率MOSFET工艺的商业化

目前，韩国电子通信研究院正专注于开发并商业化全球首个采用电镀工艺且厚度为4μm的4英寸氧化镓功率半导体MOSFET器件工艺。因此，预计在不久的将来，利用韩国国内开发的4英寸大面积外延材料和器件工艺技术获得氧化镓功率半导体的量产技术将成为可能。

根据日本矢野经济研究所2023年的报告，到2030年，全球功率半导体市场规模将增至49兆韩元，其中氧化镓市场将达到1.7兆韩元。

韩国陶瓷工程技术研究所高级研究员Jeon Dae-woo博士表示：“氧化镓外延晶圆是下一代功率半导体的关键成分，将其本土化可降低外延晶圆的成本（占韩国国内功率半导体制造成本的40%以上），并实现材料独立。”

韩国电子通信研究院项目总经理Mun Jae-kyoung博士表示：“据我们预计，将氧化镓功率半导体集成到系统中的时间将进一步加快。我们计划成为世界首个商业化千伏级氧化镓功率半导体MOSFET器件的国家。”

来源：雅时化合物半导体

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