新一代功率半導體研發與應用精講

巖室憲幸築波大學數理物質系教授 巖室憲幸教授在功率半導體領域建樹頗豐。 1962年，他出生於東京都板橋區。1984年，從早 稻田大學理工系電氣專業畢業後，便就職於富士電 機株式會社。1988年起，投身於矽IGBT、二極 管，以及SiC器件的研發與商業化進程中。1992 ~ 1993年，他擔任美國北卡羅來納州立大學功率半導 體研究中心客座研究員，積累了寶貴的經驗。1998 年，他成功獲得早稻田大學工學博士學位。2009 ~ 2013年，在日本國立產業技術綜合研究所 電力 電子研究中心專註於SiC功率器件量產技術開發。 2013年4月至今，他在築波大學擔任數理物質系物 理工學專業教授，同時也是 電力電子研究中心 主任研究員。 參 編 巖室憲幸築波大學數理物質系教授 大谷升關西學院大學工學部教授 小林拓真大阪大學大學院工學研究科助教 木本恒暢京都大學大學院工學研究科教授 加藤正史名古屋工業大學大學院工學研究科準教授 喜多浩之東京大學研究生院工學系研究科副教授 野口宗隆三菱電機株式會社 技術綜合研究所首席研究員 江川孝誌名古屋工業大學研究生院工學研究科教授 三川豐三菱化學株式會社氮化鎵技術中心開發組經理 秩父重英日本東北大學多元物質科學研究所教授 栗本浩平日本制鋼所株式會社新事業推進本部光子學事業室開發集團 德田豐愛知工業大學名譽教授 八木修一Paudec株式會社開發部門董事、電子器件技術總管 河合弘治Paudec株式會社技術 顧問 成井啟修Paudec株式會社代表董事總經理 川原田洋早稻田大學理工學術院基幹理工學部教授 嘉數誠佐賀大學研究生院理工學研究科教授 金聖祐Adamando並木精密寶石株式會社金剛石基板開發統括本部副統括本部長 植田研二名古屋大學研究生院工學研究科副教授 平間一行日本電報電話株式會社NTT物性科學基礎研究所多元材料創造科學研究部薄膜材料研究組主任研究員 佐藤壽誌日本電報電話株式會社NTT物性科學基礎研究所多元材料創造科學研究部薄膜材料研究組主任研究員 東脅正高日本國立研究開發法人信息通信研究機構未來ICT研究所小金井前沿研究中心綠色ICT器件研究室室長 村上尚東京農工大學研究生院工學研究院副教授 熊谷義直東京農工大學研究生院工學研究院教授 佐佐木公平Novel Crystal Technology株式會社 研究部董事 山腰茂伸Novel Crystal Technology株式會社 研究部董事專家 倉又朗人Novel Crystal Technology株式會社董事長 四戶孝FLOSFIA株式會社董事 西中浩之京都工藝纖維大學電氣電子工學系副教授 陳傳彤大阪大學產業科學研究所特聘副教授 菅沼克昭大阪大學名譽教授 堀口剛司三菱電機株式會社 技術綜合研究所功率模塊技術部首席研究員 石井佑季三菱電機株式會社 技術綜合研究所功率轉換系統技術部首席研究員 長澤忍三菱電機株式會社 技術綜合研究所電機系統技術部經理 椋木康滋三菱電機株式會社 技術研究所模塊技術部門團隊經理 山田靖日本大同大學工學部教授 兩角朗富士電機株式會社半導體事業本部開發統括部封裝開發部要素技術一課主?查 大浦賢一 力學模擬研究所株式會社技術開發部 鶴田和弘Mirise Technologies株式會社功率電子第2開發部部長 山本真義名古屋大學未來材料與系統研究所教授 中村孝大阪大學研究生院工學研究科特聘教授/Nexfair Technologies株式會社代表 田原慎一ROHM株式會社研究開發中心融合技術研究開發部研究企劃與管理G技術主查 田島宏一富士電機株式會社功率電子系統工業事業本部開發統括部功率電子機器開發中心輸送系統開發部主任

CONTENTS
　　　　　主編、參編一覽
緒　論　　新一代功率半導體研發趨勢
　　一、對新一代功率半導體的期望2
　　二、應對5G、xEV的需求擴大問題2
　　三、總結3
篇　　新一代功率半導體的開發
章　SiC功率半導體
節　??SiC單晶生長中晶體缺陷的產生機制及其控制方法
　　一、引言6
　　二、基於物理氣相升華法的SiC塊狀單晶材料生長7
　　三、SiC塊狀單晶中存在的晶體缺陷9
　　四、SiC塊狀單晶生長中基平面位錯的產生機理10
　　五、總結13
第二節　??排除氧化工藝的高質量SiC MOS界面形成
　　一、SiC MOSFET的現狀與挑戰15
　　二、理解具有不同晶面和受主密度的SiC MOSFET的
　　　　遷移率限制因?素16
　　三、基於氬氣熱處理的界面碳缺陷檢測和減少20
　　四、排除氧化工藝形成高質量SiC MOS界面23
　　五、總結27
第三節　??SiC電學特性的空間分辨測量
　　一、引言29
　　二、載流子覆合壽命測量技術29
　　三、高空間分辨率測量（破壞性測量）30
　　四、無損深度分析測量33
　　五、表面覆合速度36
　　六、總結36
第四節　??SiC功率半導體器件中電阻主要影響因素分析
　　一、分析SiC MOSFET反型層遷移率的模型和方法37
　　二、SiC MOS反型層遷移率模型的構建42
　　三、總結48
第二章　GaN功率半導體
節　??GaN功率半導體開發的現狀與實用化
　　一、引言51
　　二、GaN功率器件的優勢52
　　三、GaN功率器件的發展趨勢53
第二節　??酸性氨熱法制備GaN單晶技術
　　一、引言60
　　二、基於氨熱法的晶體生長61
　　三、晶體質量評估62
　　四、總結69
第三節　??基於DLTS法的GaN點缺陷評估技術
　　一、引言70
　　二、p-GaN的DLTS70
　　三、正向電流導通效應73
　　四、總結80
第四節　??高耐壓GaN功率器件
　　一、引言81
　　二、PSJ器件84
　　三、PSJ器件的量產性91
　　四、總結93
第三章　金剛石功率半導體
節　??金剛石功率FET開發的現狀和實用化可能性
　　一、金剛石作為p型半導體的優勢95
　　二、逆變器電路的普及進展意外地緩慢，原因在於噪聲96
　　三、將2DHG應用於溝道層的金剛石MOSFET100
　　四、總結與展望107
第二節　??金剛石異質外延晶體生長及其在金剛石FET中的應用
　　一、引言109
　　二、目前的異質外延金剛石生長研究109
　　三、藍寶石襯底上的異質外延金剛石生長110
　　四、在傾斜藍寶石襯底上使用臺階流模式的異質外延
　　　　金剛石生長114
　　五、異質外延金剛石上的金剛石FET制作117
　　六、總結118
第三節　??使用金剛石半導體的耐高溫器件制造和性能提高
　　一、引言120
　　二、耐高溫金剛石肖特基二極管的制造121
　　三、耐高溫金剛石功率器件的制造123
　　四、耐高溫金剛石晶體管的制造126
　　五、總結127
第四節　??通過NO2吸附和Al2O3鈍化改善金剛石FET的熱穩
　　　　??定性和大電流工作
　　一、引言129
　　二、通過NO2吸附和Al2O3鈍化實現高密度二維空穴氣的
　　　　熱穩定化129
　　三、實現金剛石FET在高溫環境下的穩定工作131
　　四、在多晶金剛石襯底上實現超過?1 A/mm的
　　　　大電流FET134
　　五、總結135
第四章　Ga2O3（氧化鎵）功率半導體
節　??β型氧化鎵功率器件開發
　　一、引言137
　　二、對功率器件應用至關重要的Ga2O3物性137
　　三、Ga2O3晶體管138
　　四、Ga2O3二極管142
　　五、Ga2O3器件實用化的挑戰143
　　六、總結144
第二節　??β型氧化鎵晶體的高純度生長方法
　　一、引言146
　　二、β型氧化鎵的鹵化物氣相生長146
　　三、β型氧化鎵的三鹵化物氣相外延生長154
　　四、總結156
第三節　??β型氧化鎵襯底晶體和外延膜的高質量化技術
　　一、β型氧化鎵塊狀單晶襯底157
　　二、β型氧化鎵的同質外延生長技術160
　　三、總結168
第四節　??利用MIST DRY(r)法研制α型氧化鎵功率半導體
　　一、引言169
　　二、α型氧化鎵（α-Ga2O3）的特點170
　　三、霧化CVD法172
　　四、α-Ga2O3功率半導體器件173
　　五、總結178
第五節　??霧化CVD法半導體制造設備
　　一、引言180
　　二、霧化CVD法的研發180
　　三、霧化CVD法的原理181
　　四、利用霧化CVD法生長Ga2O3的技術183
　　五、總結190
第二篇　　新一代功率半導體的封裝技術和可靠性
章　功率半導體與器件的封裝技術
節　??新一代功率半導體所需的封裝技術
　　一、引言194
　　二、WBG功率半導體的接合195
　　三、展望205
第二節　??高精度功率半導體仿真技術
　　一、引言208
　　二、SiC-MOSFET模型的建模方法208
　　三、開關操作的驗證211
　　四、設備模型的應用案例213
　　五、總結215
第二章　功率半導體與器件的評估
節　??用於功率半導體封裝的接合材料特性評估方法
　　一、引言216
　　二、需要的特性216
　　三、接合材料的發展趨勢217
　　四、接合部的特性評估方法218
　　五、總結226
第二節　??SiC功率半導體封裝技術
　　一、引言228
　　二、WBG功率半導體的特性229
　　三、SiC功率半導體的封裝技術229
　　四、總結238
第三節　??新一代功率半導體的封裝材料和壽命預測仿真
　　一、引言239
　　二、傳熱-結構耦合仿真框架239
　　三、壽命預測式241
　　四、壽命預測仿真的評估案例242
　　五、密封樹脂的特性參數和壽命預測的方差分析244
　　六、損傷參數預測公式ΔW與實驗結果的比較驗證245
　　七、總結246
第三篇　　新一代功率半導體的應用案例
章　汽車領域新一代功率半導體的實用化
節　??用SiC功率半導體開發電動汽車
　　一、引言250
　　二、用於降低成本的超低損耗SiC-MOSFET251
　　三、總結259
第二節　??電動飛機建模技術的 趨勢和新材料功率半導體在
　　　　??飛行汽車中的應用效果
　　一、引言261
　　二、飛行汽車的建模技術262
　　三、通過新材料功率半導體的應用提高電動飛機性能268
　　四、總結271
第二章　SiC功率器件在超高壓設備中的應用
　　一、引言272
　　二、超高壓開關模塊272
　　三、超高壓直流電源275
　　四、在醫療設備方面的應用278
　　五、總結279
第三章　其他領域新一代功率半導體的實用化
節　??應用於空調的功率半導體
　　一、白色家電的功率半導體281
　　二、RAC的節能規定281
　　三、RAC中功率半導體的主要用途282
　　四、RAC在實際運行中的節能措施287
　　五、逆變器電路290
　　六、白色家電的目前狀況292
　　七、總結292
第二節　??SiC混合模塊在電動列車中的應用