成果名称：氧化镓功率半导体晶圆关键技术产业化
成果背景：功率电子器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的重要推动力，在通信、雷达、自动控制、航空航天、高铁动车、新能源汽车等领域具有重要的应用价值和巨大的市场空间。譬如，小到手机充电器中的AC/DC转换器，大到高铁的核心部件——绝缘栅型双极晶体管（IGBT），都属于功率电子器件。根据2017年度美国电力电子工业协作组织公布的“功率电子产业发展路线图”显示，发展性能更为优异的氧化镓先进功率半导体材料是国家战略和市场的必然选择。随着材料外延和器件制备技术的发展，Ga2O3功率器件在低频、超高压功率电子器件方面将逐步取代SiC和GaN材料。日本Yano研究所市场报告预测，未来三年Ga2O3晶圆衬底将部分替代SiC、GaN材料，市场规模可达到2600亿日元，市场容量并随着功率电子的发展呈现井喷式和跨越式发展。
技术痛点：但目前国内氧化镓材料在同样价格下，晶格质量、掺杂浓度可控性、迁移率等指标上难以与国外产品竞争，绝大部分依赖进口，且价格极高，成为了目前亟待解决的“卡脖子”问题；其次，目前氧化镓单晶价格高、热导率差，这会导致器件产生热击穿等问题，造成器件失效。针对上述问题，本团队致力于高质量、低成本氧化镓外延材料制备，并努力解决材料导热问题。首先通过自研氧化物半导体材料生长设备(Mist-CVD)，降低材料制备成本；将生长的材料进行处理、剥离后与导热率高的衬底进行异质集成，提升材料导热性；在此基础上，团队研制出性能处于国际领先水平的二极管功率器件，并在国际上首次将氧化镓器件进行系统级应用验证，探索其在功率器件方面的应用前景。
解决方案：南京大学团队本项目团队针对氧化镓功率半导体的生长特点，创新性地将喷雾法和CVD相结合，发展出超声辅助雾化CVD法，已申请10余项国家发明专利，并已成功开发出专用于氧化镓的mist-CVD设备。项目创新特色在于提出发展创新的雾化输运CVD外延技术开发大尺寸、低成本和低位错缺陷密度氧化镓复合外延厚膜晶圆，将其推广至具有重大应用价值的功率器件应用领域，推动氧化镓基功率电子器件的发展和产业化进程；此外，团队已开发出2英寸高质量蓝宝石基氧化镓外延复合晶圆，具有和单晶材料相接近的晶体质量和缺陷密度，杂质浓度低、且电阻率可调等优点，关键质量指标上已接近甚或达到国际报道最好结果。目前已经和国内功率电子材料和器件研制的优势单位，开展合作研究和联合攻关。在氧化镓器件制备方面，本项目团队实现了氧化镓基高功率异质结二极管的制备，并且对二极管器件进行了高可靠性TO-257封装。器件正向导通电流可达到70 A，反向击穿电压可达到1.95 kV，具有纳秒级别快速反向恢复能力，同时具有高整流比以及高温工作能力。为进一步研究器件在实际电路系统中的应用能力，在国际上率先将封装后Ga2O3功率二极管应用到PFC电路中，展示出高达98.5%的功率转换效率，超过硅的快速恢复二极管（FRD），接近于目前商用的1.2 kV的SiC肖特基二极管。器件在1.2 kV峰值电压下动态击穿超过100万次后仍然正常工作，展示出器件坚固耐用的高可靠性，综合性能在国际上处于领先地位，满足功率器件应用的应用要求。
联系方式：叶老师，e-mail：yejd@nju.edu.cn
