美海军研究实验室转让1200V GaN功率开关晶圆制造技术

美国海军研究实验室大功率器件和大功率电子部门的负责人、电气工程师KarlHobart和Francis Fritz Kub研究出大面积工程氮化镓（GaN）晶圆衬底。

技术提出

从历史上看，氮化镓晶圆一直存在着缺陷，比如与硅的热膨胀不匹配。Hobart和Kub在21世纪初提出了这些氮化镓衬底的基本研究想法。Hobart说：“我们在当时认识到，氮化镓衬底技术既不具备可扩展性，也不具备成本效益。我们设计了一种新的工程衬底技术，可以实现与先进的半导体制造厂一致的大直径。”

技术优势

该晶圆衬底是一种由多晶和结晶层组成经过优化的复合结构。研究人员通过创造一种由多晶氮化铝制成的廉价薄片来解决这个问题，这种薄片与氮化镓的热膨胀匹配度高；还添加了一层薄的单晶硅，用于氮化镓成核并避免任何机械问题。他们现在能够生产出具有最佳性能和经济性的晶圆。

该晶圆衬底与GaN有良好的热膨胀和结晶匹配，可匹配允许厚氮化镓外延层，使1200伏及以上的氮化镓功率开关成为可能，使氮化镓有望替代微电子器件中，特别是电力电子器件中的硅半导体。

氮化镓的工作电压、频率和温度远高于硅等传统半导体材料，能够使终端产品更高效、更小、更轻、更快、更低成本。Hobart说：“氮化镓材料的独特之处在于它是一种宽带隙半导体，可支持更高电场，也是一个有用的光发射器和一个满足高频应用的高度开关，同时对实现高电压、高电场器件具备潜力。”大直径的氮化镓工程衬底使每个晶圆制造更多氮化镓器件，降低单个成本。

技术转让

2009年，当时有六项专利构成了NRL的创新基础，然后授权给一家名为Amberwave系统公司的小企业。该公司随后被美光科技公司收购，美光科技公司在NRL的授权下投资进一步开发氮化镓基底概念。2015年，美光科技拆分出QROMIS公司从事GaN相关技术的研究。

Kub说：“令人鼓舞的是，我们的创新被业界认为是GaN技术的未来，他们致力于进一步开发，以实现商业化。我们认为我们的技术是一个好主意，但他们认定这是一个绝佳主意，所以对该技术进行了如此大的投资。”

由Amanda Horansky-McKinney领导的NRL技术转让办公室和其团队促进了这项特殊的氮化镓技术的发展和商业化。他们在4月份获得了联邦实验室联盟颁发的2021年卓越技术转让奖。通过NRL技术转让办公室的努力，氮化镓衬底已经通过一系列的公司实现了商业化的不同角度。

QROMIS公司获益

Horansky-McKinney说：“技术转让的最终接受者是位于硅谷的QROMIS公司。QROMIS已经处于有利地位，实践了我们希望被许可人做的事情，正以NRL技术为基础，投资和开发支持具有市场竞争能力的产品。”

QROMIS的首席执行官兼总裁Cem Basceri说，与NRL的合作是一次非常积极的经历，这种合作关系和团队工作超出了他的预期。“就工作质量而言，特别是NRL的技术转让，Horansky-McKinney女士做得很好，帮助使一切都如此顺利，与NRL的科学家和工程师合作非常好，因为他们有非常独特和创新的想法，可以转化为商业解决方案。”

QROMIS利用这些解决方案推出了他们的商业产品，称为QST®基片和GaN-on-QST®外延片。下图为QROMIS公司总裁兼首席执行官Cem Basceri在QST®（QROMIS衬底技术）衬底上展示200毫米的650V、增强型氮化镓（GaN）分立功率器件晶圆。

技术转让自评

美国海军研究实验室技术转让办公室促进和推广NRL在产品和服务方面的创新技术，使公众和国家的服役人员受益。Hobart和Kub对其他致力于将其基础科学和技术工作从起步阶段过渡到商业化的国防研究人员的建议是：与对该技术感兴趣的公司紧密合作。Horansky-McKinney说：“工业界和NRL之间的伙伴关系促进了技术的成功开发和转让，这将大大有利于海军和海军陆战队。”

信息来源

https://www.semiconductor-digest.com/gan-wide-bandgap-semiconductor-enabling-1200v-and-beyond-power-switches-now-commercially-available-for-200mm-large-scale-manufacturing/