【专家访谈】NextGO Epi访谈｜欧洲氧化镓外延片供应商助力超宽禁带电力电子产业崛起

        到目前为止，这类问题在很大程度上依靠蒸汽发电厂中的大型旋转设备来提供支撑。但如果我们希望逐步淘汰这类发电方式——因为它们通常需要通过燃烧我们不希望排放到大气中的物质来产生蒸汽——那么我们就需要固态变压器来管理电网。

        这就要求半导体能够在高功率条件下承受和管理10 kV以上的电压。氧化镓有潜力满足这一需求。

        目前，市场上的氧化镓材料供应仍然不足。过去，科研界基本上是自行供应材料，以满足自身的研究需求。现在，大型企业也开始进入这一领域。市场需要有人来满足这一需求，而我们可以做到这一点。

        我们需要在欧洲建立一套氧化镓配套供应链，以增强未来供应体系的韧性。

        今年，我们已经看到6英寸甚至8英寸氧化镓晶圆的展示。我们认为，目前行业正处于一个从科研向产业转型的阶段。产业界正在进行原型开发，这说明氧化镓正在从论文中的“很酷的材料”逐渐走向能够与碳化硅和氮化镓竞争的实际技术。

        很可能在未来两三年内，首款氧化镓产品就会问世。

        我们的客户和合作伙伴会告诉我们：“我想尝试做氧化镓。能不能给我一些外延片？”

        这说明，获取高质量、大尺寸氧化镓外延片仍然存在瓶颈。我们的合作伙伴Aixtron目前已经有氧化镓MOCVD设备推向市场。这三个因素都促使我们进一步推进NextGO Epi。

        对于外延企业而言，这类业务通常只会在新一代材料发展的早期阶段出现。如果进入得太晚，就很难找到自己的位置。因此，我们决定现在进入这一领域。

        目前，氧化镓外延主要有三种技术路线：HVPE、MBE和MOCVD。我们在美国和日本的合作伙伴在MBE和HVPE方面更为知名。中国的一些供应商也在探索MOCVD和MBE。

        我们认为，总体而言，MOCVD更适合大规模、高均匀性外延片生产。我们在MOCVD工艺研发方面拥有超过10年的经验，因此在整个产业生态中具有独特的优势。

        AF:在材料刚刚向电力电子市场过渡的早期阶段，拥有多家供应商是一件好事。大多数研发部门都不希望材料供应被一家企业垄断。

        他们会说：“如果只有你们一家企业，我们就不会投资这项技术。如果你们出现问题，我们还需要其他供应商来提供材料，否则我们投入的研发资金可能全部损失。”

        周：我们已经与六家衬底供应商签署了战略合作协议，他们分别来自中国、日本和美国。总体而言，氧化镓目前仍处于非常早期的发展阶段，现在谈竞争还为时尚早。大家都希望把整个市场做大。

        我们也很乐意看到有多家供应商提供高质量、低成本的衬底。所有衬底供应商都希望向我们提供产品。如果他们能够提供高质量衬底，这同样有助于提升他们自身的市场声誉。

        第二点是，NextGO Epi是一家总部位于德国的公司。与美国、日本等地的企业相比，我们处于相对中立的位置，不受严格出口管制的限制。

        AF：我们是在莱布尼茨晶体生长研究所（IKZ）学习期间认识的，当时我们共同开发了整套技术。

        我从2015年开始攻读博士学位，研究这一材料体系，并致力于解决获得高质量材料过程中遇到的问题。Andreas Popp于2017年加入，最初是一名博士后研究员。他表现非常出色，于2019年成为外延生长研究组组长。他在2020年招收了周大顺作为博士生，这是他招收的第一位博士生。周大顺以创纪录的速度完成了博士学位。在目前为止的博士生中，他发表的论文数量最多，申请的专利也最多。我非常高兴能与他共事，因为他不仅聪明，而且非常努力。我们看到了这种材料明确的应用潜力。

        2019年，我们曾与一些产业界人士讨论氧化镓。他们当时的反应是：“我们刚刚投资了碳化硅。氧化镓是什么？你们为什么要来找我们？五年之后，也就是2024年，产业界开始主动联系我们：“你们之前提到过氧化镓。有没有样品可以提供给我们测试？”

        随着这种变化出现，我们有机会将研究进一步推进到实际应用。这也是我们创业的主要动力。我们的研究做得很好，相关论文也获得了很好的反响。但当我与科研圈之外的人交流时，他们往往无法理解我究竟在研究什么。如果有一天，我能够告诉别人：“你手中正在使用的这个产品，就是我的研究成果。”这对我而言会是一种非常强大的动力，也促使我继续朝这个方向发展。

        周：通常情况下，你不能指望投资者投资一家初创企业，就是为了让它购买硬件设备。即使是一家初创公司，投资者也会希望你已经拥有开展业务所需的设备。

        幸运的是，我们解决了这个问题。我们与依托的研究机构保持着非常紧密的联系，因此可以从该研究机构租赁包括MOCVD在内的设备。第二个挑战是，半导体商业模式在欧洲，包括英国，并不是一种非常常见的模式。因此，很难找到具有半导体技术评估背景的投资者。

        我们非常幸运地找到了一位投资人。他们并不了解我们的技术，但愿意坐下来与我们交流，听我们介绍，并努力理解我们技术的价值。我们还得到了Aixtron前首席运营官Jochen Linck博士的大力支持。他恰好是其中一家风险投资公司的有限合伙人。由于Aixtron是我们MOCVD设备的供应商，他对我们的技术非常了解。他不仅能够提供商业方面的经验，还会根据自己的经验指导我们，帮助我们理解一家外延公司应该如何发展。他是我们创始团队的商业导师。

        MOCVD是最适合大规模生产的技术路线。

        MBE、HVPE和雾化CVD则分别存在产能较低或单片生长等限制。MBE并不只是单片生长设备，它能够在超高真空腔体内实现非常高的精度和纯度。但对于氧化镓而言，其生长速率非常低。HVPE的生长速率非常高，但所得样品通常较为粗糙、均匀性较差，并且存在结构缺陷问题。雾化外延主要用于α相氧化镓。大多数研究人员关注热力学稳定的β相，是有科学依据的。一旦进入器件加工阶段，例如进行离子注入或对金属接触进行退火处理，α相可能会向β相转变，因为β相是热力学稳定相。

        对于β相氧化镓，早期器件采用了氮化镓的工艺配方。器件表现非常好，只需要进一步优化。未来向晶圆厂生产的过渡可能会非常快。我们需要的是稳定且均匀的电学性能，而这正是MOCVD能够提供的。

        AF：首先，作为创始团队，我们的主要专长是外延生长。我们三个人都没有从事过体块晶体生长。IKZ有专家能够生产质量非常高的材料。然而，在德国，能源成本不像其他国家那么低，而体块晶体生长本身又是一个高能耗过程。晶体生长温度达到1800°C，而且必须维持这一温度至少一到两周，才能生长出一根晶体。IKZ开发的这项技术并不是成本最低的路线。它需要使用非常大型的铱坩埚，而铱的价格又存在波动。当我们把这些因素全部纳入商业模式后发现，这种方式很难让我们在全球市场上具备与其他企业竞争的成本条件。因此，我们决定专注于外延业务。

        周：其中一项涉及一种非常独特的氧化镓外延生长监测技术。

第二项则是一项工艺和技术专利，用于生长超厚、高质量的氧化镓薄膜，而这类薄膜对于电力电子应用非常重要。

        AF：在半导体领域，可重复性、可靠性和规格参数是取得成功的关键。

        在发货之前，我们会按照严格的质量标准对产品进行检测。首先进行X射线衍射（XRD）测量，然后通过霍尔效应测量评估材料的载流子浓度和迁移率，因为对于大多数器件而言，这两个参数都非常重要。载流子浓度可以帮助我们判断材料的掺杂浓度是否与客户需求相匹配，以及材料本身的洁净程度。迁移率能够直接反映材料质量。载流子迁移率越高，通常意味着材料中的缺陷和散射中心越少。

        此外，我们还会通过原子力显微镜（AFM）和显微镜进行常规表面检测，以确保整个晶圆表面状态良好。

        AF：早在2016年，当我们提供第一批样品用于器件制造时，他们直接采用了氮化镓的工艺配方。

        第一个器件就打破了当时碳化硅和氮化镓的临界击穿场强纪录。这意味着该材料的临界击穿场强直接超过了3 MV/cm。这说明氧化镓与氮化镓工艺具有很好的兼容性。

        因此，我认为，无晶圆厂公司进入这一市场会相对容易，因为它们可以直接寻找能够加工氮化镓、同时愿意承接氧化镓工艺的晶圆代工厂。

        AF：大多数材料目前仍采用n型沟道，因为电子的迁移率高于空穴。但p型掺杂对于电场调控确实非常重要。

        目前至少有两种解决方案非常有前景，并且已经在器件中实现了8 MV/cm的临界击穿场强。实际上，发生击穿的是器件边缘，而不是氧化镓材料本身，因此人们仍然认为这一性能还有进一步提升的空间。其中一种方案是采用超高介电常数（high-κ）介质。这种介质可以通过极化电荷帮助进行电场调控。

        当然，这种方案只适用于低频器件。但对于工作频率达到200 kHz的高压器件而言，这种方法仍然具有可实施性。另一种方案是采用异质外延或沉积。例如，可以通过溅射这一洁净室中非常常见的工艺，集成p型氧化镍或氧化铜。这种方法已经取得了很好的效果。

        AF：这个问题从研究早期就已经受到关注。

        当人们发现它的热导率如此之低时，很快就意识到：“我们必须解决这个问题，否则这种材料很难真正取得成功。”

        科研界已经提出了一些很有前景的解决方案。对于器件而言，需要尽可能从顶部将热量导出，因为热量很难有效传导到器件衬底底部。

        近期，布里斯托尔大学Martin Kuball教授开发的一种新的CVD工艺被认为是很有前景的解决方案之一。该工艺在栅极堆叠层和介质堆叠层中沉积多晶金刚石。多晶金刚石具有非常高的热导率，可以高效地将器件结构中的热量导出。封装方面也存在进一步优化的空间。

        我们早期曾与德国ZF开展合作。他们证明，通过合适的封装方式，可以有效地将热量导出。

        周：大多数客户来自企业的研发部门或学术界。

        周：我们的主要投资方包括Vireo Ventures、Ultratech Capital Partne和IBB Ventures，此外还有天使投资人Boris Habets。他们支持我们，是因为他们相信我们正在开发的这种面向电力电子的下一代半导体材料。

        周：对于一家初创企业来说，最重要的就是不断发展壮大。

        目前，我们的团队由三位联合创始人组成，他们都是氧化镓领域的专家。未来几个月，我们将迎来一位新的工程师，以扩大生产能力，并帮助我们吸引更多客户采用氧化镓。此外，我们还将招聘一位运营经理，协助处理日常行政事务。目前，我们已经有多名学生员工在现场工作。未来，随着客户数量进一步增加，我们也会继续扩大团队。

        我们需要看到真正的氧化镓产品。氧化镓外延片本身并不是最终产品。真正的氧化镓产品应该是应用于电动汽车或人工智能数据中心的模块。

        我们希望帮助整个产业界共同实现这一目标。