技術(shù)講座：用氧化鎵能制造出比SiC性價(jià)比更高的功率元件

與SiC和GaN相比，β-Ga2O3有望以低成本制造出高耐壓且低損失的功率半導(dǎo)體元件，因而引起了極大關(guān)注。契機(jī)源于日本信息通信研究機(jī)構(gòu)等的研究小組開發(fā)出的β-Ga2O3晶體管。下面請(qǐng)這些研究小組的技術(shù)人員，以論文形式介紹一下β-Ga2O3的特點(diǎn)、研發(fā)成果以及今后的發(fā)展。

我們一直在致力于利用氧化鎵（Ga2O3）的功率半導(dǎo)體元件（以下簡(jiǎn)稱功率元件）的研發(fā)。Ga2O3與作為新一代功率半導(dǎo)體材料推進(jìn)開發(fā)的SiC和GaN相比，有望以低成本制造出高耐壓且低損失的功率元件。其原因在于材料特性出色，比如帶隙比SiC及GaN大，而且還可利用能夠高品質(zhì)且低成本制造單結(jié)晶的“溶液生長(zhǎng)法”。

在我們瞄準(zhǔn)的功率元件應(yīng)用中，使用Ga2O3試制了“MESFET”（metal-semiconductorfieldeffecttransistor，金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。盡管是未形成保護(hù)膜（鈍化膜）的非常簡(jiǎn)單的構(gòu)造，但試制品顯示出了耐壓高、泄漏電流小的特性。而使用SiC及GaN來(lái)制造相同構(gòu)造的元件時(shí)，要想實(shí)現(xiàn)像試制品這樣的特性，則是非常難的。

雖然研發(fā)尚處于初期階段，但我們認(rèn)為Ga2O3的潛力巨大。本論文將介紹Ga2O3在功率元件用途方面的使用價(jià)值、研發(fā)成果，以及今后的目標(biāo)等。

比SiC及GaN更為出色的性能

Ga2O3是金屬鎵的氧化物，同時(shí)也是一種半導(dǎo)體化合物。其結(jié)晶形態(tài)截至目前（2012年2月）已確認(rèn)有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。與Ga2O3的結(jié)晶生長(zhǎng)及物性相關(guān)的研究報(bào)告大部分都使用β結(jié)構(gòu)。我們也使用β結(jié)構(gòu)展開了研發(fā)。

β-Ga2O3具備名為“β-gallia”的單結(jié)晶構(gòu)造。β-Ga2O3的帶隙很大，達(dá)到4.8～4.9eV，這一數(shù)值為Si的4倍多，而且也超過(guò)了SiC的3.3eV及GaN的3.4eV（表1）。一般情況下，帶隙大的話，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)很大（圖1）。β-Ga2O3的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度估計(jì)為8MV/cm左右，達(dá)到Si的20多倍，相當(dāng)于SiC及GaN的2倍以上。

帶隙越大，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度就越大。β-Ga2O3的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度為推測(cè)值。

β-Ga2O3在顯示出出色的物性參數(shù)的同時(shí)，也有一些不如SiC及GaN的方面，這就是遷移率和導(dǎo)熱率低，以及難以制造p型半導(dǎo)體。不過(guò)，我們認(rèn)為這些方面對(duì)功率元件的特性不會(huì)有太大的影響。

之所以說(shuō)遷移率低不會(huì)有太大問(wèn)題，是因?yàn)楣β试男阅芎艽蟪潭壬先Q于擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。就β-Ga2O3而言，作為低損失性指標(biāo)的“巴利加優(yōu)值（Baliga’sfigureofmerit）”與擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的3次方成正比、與遷移率的1次方成正比。因此，巴加利優(yōu)值較大，是SiC的約10倍、GaN的約4倍。

一般情況下，導(dǎo)熱率低的話，很難使功率元件在高溫下工作。不過(guò)，工作溫度再高也不過(guò)200～250℃，因此實(shí)際使用時(shí)不會(huì)有問(wèn)題。而且封裝有功率元件的模塊及電源電路等使用的封裝材料、布線、焊錫、密封樹脂等周邊構(gòu)件的耐熱溫度最高也不過(guò)200～250℃程度。因此，功率元件的工作溫度也必須要控制在這一水平之下。

另外，關(guān)于難以制造p型半導(dǎo)體這一點(diǎn)，使用β-Ga2O3來(lái)制作功率元件時(shí)，可以將其用作N型半導(dǎo)體，因此也不是什么問(wèn)題。而且，通過(guò)摻雜Sn及Si等施主雜質(zhì)，可在電子濃度為1016～1019cm-3的大范圍內(nèi)對(duì)N型傳導(dǎo)特性進(jìn)行控制（圖2）。

使用β-Ga2O3時(shí)，可在大范圍內(nèi)控制N型傳導(dǎo)性。實(shí)際上，通過(guò)摻雜施主雜質(zhì)，可在1016～1019cm-3范圍內(nèi)調(diào)整電子密度。

導(dǎo)通電阻僅為SiC的1/10

β-Ga2O3由于巴利加優(yōu)值較高，因此理論上來(lái)說(shuō)，在制造相同耐壓的單極功率元件時(shí)，元件的導(dǎo)通電阻比采用SiC及GaN低很多（圖3）。降低導(dǎo)通電阻有利于減少電源電路在導(dǎo)通時(shí)的電力損失。

在相同耐壓下比較時(shí)，β-Ga2O3制造的單極元件，其導(dǎo)通電阻理論上可降至使用SiC時(shí)的1/10、使用GaN時(shí)的1/3。圖中的直線與巴加利優(yōu)值的倒數(shù)相等。直線位置越接近右下方，制成的功率元件性能就越出色。

使用β-Ga2O3的功率元件不僅能夠降低導(dǎo)通時(shí)的損失，而且還可降低開關(guān)時(shí)的損失。因?yàn)閺睦碚撋险f(shuō)，在耐壓1kV以上的高耐壓用途方面，可以使用單極元件。

比如，設(shè)有利用保護(hù)膜來(lái)減輕電場(chǎng)向柵極集中的“場(chǎng)板”的單極晶體管（MOSFET），其耐壓可達(dá)到3k～4kV。

而使用Si的話在耐壓為1kV時(shí)就必須使用雙極元件，即便使用耐壓公認(rèn)較高的SiC，在耐壓為4kV時(shí)也必須使用雙極元件。雙極元件以電子和空穴為載流子，因此與只以電子為載流子的單極元件相比，在導(dǎo)通及截止的開關(guān)動(dòng)作時(shí)，溝道內(nèi)的載流子的產(chǎn)生和消失會(huì)耗費(fèi)時(shí)間，損失容易變大。

比如Si，在耐壓1kV以上的用途方面通常是晶體管使用IGBT，二極管使用PIN二極管。

SiC的話，耐壓4kV以下用途時(shí)晶體管可使用MOSFET等單極元件，二極管可使用肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）等單極元件。但在耐壓4kV以上時(shí)導(dǎo)通電阻超過(guò)10mΩcm2，單極元件不具備實(shí)用性。因此必須使用雙極元件。

更多資訊請(qǐng)關(guān)注：21ic模擬頻道