Kürzlich hat die Shanghai Gachi Power Technology Co., Ltd. (nachfolgend „Gachi Power" genannt) mit Sitz im Shanghai-Cluster für die vierte Generation der Halbleiter einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der ultrabreiten Bandlücke-Halbleiter erzielt und die Validierung der ersten Iterationsstufe der Galliumoxid-(β-Ga₂O₃)-Vertikal-MOSFET-Chips abgeschlossen. Das Team hat durch Innovation der Bauelementstruktur und unabhängige Eigenentwicklung der Kernprozesse erfolgreich das weltweit erste Anreicherungs-Galliumoxid-Vertikal-MOSFET-Bauelement mit einem Durchstrom von über 1 Ampere und einer Durchbruchspannung von mehr als 900 Volt entwickelt. Mehrere Kernleistungsparameter stellen neue internationale Rekorde auf und ebnen den Weg für die Kommerzialisierung von Galliumoxid-Leistungsbauelementen. Dies markiert einen führenden technologischen Sprung Chinas im Bereich der Kernbauelemente der vierten Halbleitergeneration.
Schematische Darstellung der Forschungsergebnisse. Bild bereitgestellt von den Befragten.
Galliumoxid als Kernmaterial der neuen Generation ultrabreiter Bandlücke-Halbleiter besitzt Eigenschaften wie ultrahohe Durchbruchfeldstärke, niedrige Durchlassverluste und Hochtemperaturbeständigkeit. Es ist eine wichtige Entwicklungsrichtung für Hochspannungs- und Hocheffizienz-Leistungsbauelemente und kann breit in Szenarien wie hochwertigen Neue-Energie-Ausrüstungen, hochwertiger industrieller Stromversorgung, intelligenten Stromnetzen und Energiespeichersystemen eingesetzt werden. Es ist zudem ein strategisches Hoheitsgebiet im globalen Wettbewerb der Leistungshalbleiterindustrie.
Laut dem Technikteam war das Problem der stabilen und kontrollierbaren p-Typ-Implantationsdotierung seit Langem ein weltweiter technischer Engpass für die Hochleistungs- und Kommerzialisierung von Galliumoxid-MOSFETs. Aufgrund dieser Barriere weisen vertikale Galliumoxid-MOSFETs weltweit allgemein Schwächen wie geringe Durchstromfähigkeit, unzureichende Spannungsfestigkeit und erhöhte Leckströme auf. Vor diesem Zeitpunkt gab es in öffentlicher Literatur und Branchenberichten noch keine Bauelementergebnisse mit einem Durchstrom, der die Ampere-Klasse durchbricht, was den Industrialisierungsprozess von Galliumoxid erheblich verlangsamte.
Angesichts dieser branchenweiten Herausforderung verließ das Technikteam von Gachi Power traditionelle Forschungsansätze und führte eine systematische technologische Offensive durch, bei der zwei originäre Kernentwicklungen erzielt wurden. Auf der Ebene der Bauelementarchitektur entwickelte das Team eine völlig neue Galliumoxid-MOSFET-Zellstruktur und eine spezielle Randabschlussstruktur, wodurch die interne Struktur und die elektrische Feldverteilung des Bauelements präzise gesteuert und die Stabilität sowie die Durchbruchspannungsfestigkeit effektiv verbessert werden. Auf der Prozessebene wurde das selbstjustierende Ionenimplantationsverfahren für den Kanal von Galliumoxid-MOSFETs gemeistert, wodurch Probleme wie die präzise Herstellung des Kanals von Vertikalbauelementen und die gleichmäßige Kontrolle der Dotierung gelöst wurden. Es wurde ein spezielles Prozesssystem aufgebaut, das für Hochleistungs-Galliumoxid-Bauelemente geeignet ist, und die erste vollständige Chipfertigung sowie elektrische Leistungsmessung erfolgreich abgeschlossen.
Forscher bei der Messung von Echtzeitdaten. Bild bereitgestellt von den Befragten.
Es wird berichtet, dass die bei dieser Chipfertigung gemessenen Daten das damals international beste Niveau erreichten und der industrielle Wert deutlich hervortritt. Erstens: Das Team hat ein selbstjustierendes Ionenimplantationsverfahren für den Kanal entwickelt, das für vertikale Galliumoxid-MOSFETs geeignet ist, eine Lücke in der Prozesstechnologie für Hochleistungsbauelemente der Branche geschlossen und die prozesstechnische Grundlage für die skalierte Herstellung von Galliumoxid-MOSFETs der Ampere-Klasse und höherer Spezifikationen gelegt. Zweitens: Das Bauelement weist eine gemessene Schwellenspannung von 3,9 Volt auf, kann stabil im Anreicherungsmodus arbeiten und die Parameterleistung erfüllt die Anforderungen für kommerzielle Leistungsbauelemente. Drittens: Der Durchstrom des Bauelements erreicht 1,2 Ampere bei einem spezifischen Einschaltwiderstand von 33 Milliohm·Quadratzentimeter. Nach Durchsicht globaler wissenschaftlicher Literatur und öffentlicher Branchenergebnisse ist dies der weltweit erste vertikale Galliumoxid-MOSFET mit einem Durchstrom von über 1 Ampere und stellt einen neuen technischen Rekord auf. Viertens: Das Bauelement wurde für eine Spannungsplattform von 750 Volt ausgelegt, die gemessene Durchbruchspannung übersteigt 900 Volt und der Leckstrom wird auf unter 3 Mikroampere kontrolliert. Das Leckstromniveau nähert sich bereits dem Niveau ausgereifter kommerzieller Silizium- und Siliziumkarbid-Leistungsbauelemente, löst das Problem hoher Leckströme bei Galliumoxid-Bauelementen und weist ein herausragendes Kommerzialisierungspotenzial auf.
„Dieses Ergebnisse der stufenweisen Chipfertigung validiert vollständig die Machbarkeit unserer originären Bauelementstruktur und der selbstentwickelten Ionenimplantationsprozessroute. Es ist ein entscheidender Schritt von der Laborprinzipvalidierung zur kommerziellen technischen Umsetzung von Galliumoxid-Leistungsbauelementen." erklärte das Technikteam gegenüber Reportern von Science and Technology Daily.
Es wird berichtet, dass Gachi Power als Nächstes den Bereich der ultrabreiten Bandlücke-Halbleiter weiter vertiefen wird, um Bauelementstrukturen, Prozessparameter und das Abstimmungssystem für Epitaxiematerialien iterativ zu optimieren, die Zuverlässigkeit, Konsistenz und Gesamtleistung der Bauelemente kontinuierlich zu verbessern und die Chip-Iteration und -Aufrüstung, Produktmustervalidierung und industrielle Prozessstandardisierung zu beschleunigen. Dies soll Chinas Industrie der vierten Halbleitergeneration beim Spurwechsel und Überholen unterstützen und strategische aufstrebende Industrien wie hochwertige Ausrüstung, neue Energien und neue Stromsysteme stärken.