第三代半導(dǎo)體又有新成員？氧化鎵有什么優(yōu)點(diǎn)？

　　目前，以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第三代化合物半導(dǎo)體受到的關(guān)注度越來(lái)越高，它們?cè)谖磥?lái)的大功率、高溫、高壓應(yīng)用場(chǎng)合將發(fā)揮傳統(tǒng)的硅器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的作用。特別是在未來(lái)三大新興應(yīng)用領(lǐng)域(汽車(chē)、5G和物聯(lián)網(wǎng))之一的汽車(chē)方面，會(huì)有非常廣闊的發(fā)展前景。

　　然而，SiC和GaN并不是終點(diǎn)，最近，氧化鎵(Ga2O3)再一次走入了人們的視野，憑借其比SiC和GaN更寬的禁帶，該種化合物半導(dǎo)體在更高功率的應(yīng)用方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此，近幾年關(guān)于氧化鎵的研究又熱了起來(lái)。

　　實(shí)際上，氧化鎵并不是很新的技術(shù)，多年前就有公司和研究機(jī)構(gòu)對(duì)其在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行鉆研，但就實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，過(guò)去不如SiC和GaN的應(yīng)用面廣，所以相關(guān)研發(fā)工作的風(fēng)頭都被后二者搶去了。而隨著應(yīng)用需求的發(fā)展愈加明朗，未來(lái)對(duì)高功率器件的性能要求越來(lái)越高，這使得人們更深切地看到了氧化鎵的優(yōu)勢(shì)和前景，相應(yīng)的研發(fā)工作又多了起來(lái)，已成為美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家的研究熱點(diǎn)和競(jìng)爭(zhēng)重點(diǎn)。而我國(guó)在這方面還是比較欠缺的。

　　氧化鎵的優(yōu)勢(shì)

　　氧化鎵是一種寬禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度Eg=4.9eV，其導(dǎo)電性能和發(fā)光特性良好，因此，其在光電子器件方面有廣闊的應(yīng)用前景，被用作于Ga基半導(dǎo)體材料的絕緣層，以及紫外線濾光片。這些是氧化鎵的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，而其在未來(lái)的功率、特別是大功率應(yīng)用場(chǎng)景才是更值得期待的。

　　雖然氧化鎵的導(dǎo)熱性能較差，但其禁帶寬度(4.9eV)超過(guò)碳化硅(約3.4eV)，氮化鎵(約3.3eV)和硅(1.1eV)的。由于禁帶寬度可衡量使電子進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)所需的能量。采用寬禁帶材料制成的系統(tǒng)可以比由禁帶較窄材料組成的系統(tǒng)更薄、更輕，并且能應(yīng)對(duì)更高的功率，有望以低成本制造出高耐壓且低損失的功率元件。此外，寬禁帶允許在更高的溫度下操作，從而減少對(duì)龐大的冷卻系統(tǒng)的需求。

　　日本的相關(guān)機(jī)構(gòu)在氧化鎵功率器件研究方面一直處于業(yè)界領(lǐng)先水平。早些年，日本信息通信研究機(jī)構(gòu)(NICT)等研究小組使用Ga2O3試制了“MESFET”(metal-semiconductorfield effect transistor，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、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。

　　2012年，Ga2O3的結(jié)晶形態(tài)確認(rèn)有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，當(dāng)時(shí)，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)。

　　例如，單結(jié)晶構(gòu)造的β-Ga2O3由于具有較寬的禁帶，使其擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度很大，具體如下圖所示。β-Ga2O3的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度約為8MV/cm，是Si的20多倍，相當(dāng)于SiC及GaN的2倍以上。

　　由圖可以看出，β-Ga2O3的主要優(yōu)勢(shì)在于禁帶寬度，但也存在著不足，主要表現(xiàn)在遷移率和導(dǎo)熱率低，特別是導(dǎo)熱性能是其主要短板。不過(guò)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，這些缺點(diǎn)對(duì)功率器件的特性不會(huì)有太大的影響，這是因?yàn)楣β势骷男阅苤饕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’s figure of merit)”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，巴利加優(yōu)值較大，是SiC的10倍、GaN的4倍。

　　由于β-Ga2O3的巴利加優(yōu)值較高，因此，在制造相同耐壓的單極功率器件時(shí)，元件的導(dǎo)通電阻比采用SiC或GaN的低很多。降低導(dǎo)通電阻有利于減少電源電路在導(dǎo)通時(shí)的電力損耗。使用β-Ga2O3的功率器件，不僅能減少導(dǎo)通時(shí)的電力損耗，還可降低開(kāi)關(guān)時(shí)的損耗，因?yàn)樵谀蛪?kV以上的高耐壓應(yīng)用方面，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)向柵極集中的單極晶體管(MOSFET)，其耐壓可達(dá)到3k～4kV。而使用硅的話，在耐壓為1kV時(shí)就必須使用雙極元件，即便使用耐壓較高的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)通和截止的開(kāi)關(guān)操作時(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。

　　在導(dǎo)熱率方面，如果導(dǎo)熱率低，功率器件很難在高溫下工作。不過(guò)，實(shí)際應(yīng)用中的工作溫度一般不會(huì)超過(guò)250℃，因此，實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中不會(huì)在這方面出現(xiàn)大的問(wèn)題。而且封裝有功率器件的模塊和電源電路使用的封裝材料、布線、焊錫、密封樹(shù)脂等的耐熱溫度最高也不過(guò)250℃，因此，功率器件的工作溫度也要控制在這一水平之下。

　　研究進(jìn)展

　　高質(zhì)量β-Ga2O3晶體

　　一直以來(lái)，中國(guó)在β-Ga2O3晶體材料和器件方面的研究相對(duì)落后，尤其是功率器件的研究很少，關(guān)鍵原因是受限于大尺寸、高質(zhì)量β-Ga2O3晶體的獲得。

　　2017年8月，我國(guó)同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院唐慧麗副教授、徐軍教授團(tuán)隊(duì)采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)模法技術(shù)，成功制備出2英寸高質(zhì)量β-Ga2O3單晶。獲得的高質(zhì)量β-Ga2O3單晶，X射線雙晶搖擺曲線半高寬27″，位錯(cuò)密度3.2×104cm-2，表面粗糙度<5A，該項(xiàng)研究成果將有力推動(dòng)我國(guó)氧化鎵基電力電子器件和探測(cè)器件的發(fā)展。

　　2018年初，電裝與FLOSFIA公司決定共同開(kāi)發(fā)面向車(chē)載應(yīng)用的新一代氧化鎵功率半導(dǎo)體材料——α-Ga2O3。

　　α-Ga2O3是京都大學(xué)藤田靜雄教授全球首次開(kāi)發(fā)成功的單結(jié)晶合成材料，可用于電動(dòng)車(chē)的轉(zhuǎn)換器，能實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本、小型輕量化。

　　FLOSFIA是于2011年由京都大學(xué)發(fā)起成立的一家合資公司。致力于α-Ga2O3功率半導(dǎo)體研發(fā)。2015年發(fā)表了世界最小的導(dǎo)通電阻0.1mΩcm2 SBD(Schottky Barrier Diode)試制數(shù)據(jù)，2016年成功研制了新型P型半導(dǎo)體α-Ir2O3。

　　氧化鎵MOSFET

　　今年早些時(shí)候，布法羅大學(xué)(UB)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院電氣工程副教授Uttam Singisetti博士和他的學(xué)生制造了一個(gè)厚度為5微米、由氧化鎵制成的MOSFET。

　　研究人員表示，該晶體管的擊穿電壓為1，850 V，比氧化鎵半導(dǎo)體的記錄增加了一倍多。擊穿電壓是將材料(在這種情況下為氧化鎵)從絕緣體轉(zhuǎn)換為導(dǎo)體所需的電量。擊穿電壓越高，器件可以處理的功率越高。

　　Singisetti表示，由于晶體管的尺寸相對(duì)較大，因此不適合智能手機(jī)和其他小型設(shè)備。但它可能有助于調(diào)節(jié)大規(guī)模運(yùn)營(yíng)中的能量流，例如收獲太陽(yáng)能和風(fēng)能的發(fā)電廠，以及電動(dòng)汽車(chē)、火車(chē)和飛機(jī)等。

　　但是，該研究還需要深入下去，以解決其導(dǎo)熱性差的缺點(diǎn)。

　　縱向Ga2O3功率器件

　　近期，日本情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)(NICT)與東京農(nóng)工大學(xué)(TUAT)演示了一種“縱向的”氧化鎵MOSFET，它采用“全離子注入( all-ion-implanted )”工藝進(jìn)行N型與P型摻雜，為低成本、高可制造性的Ga2O3 功率電子器件鋪路。

　　過(guò)去幾年來(lái)，Ga2O3 晶體管的開(kāi)發(fā)集中于研究橫向幾何結(jié)構(gòu)。然而，由于器件面積較大、發(fā)熱帶來(lái)的可靠性問(wèn)題、表面不穩(wěn)定性，橫向器件不容易經(jīng)受住許多應(yīng)用所需的高電流與高電壓的考驗(yàn)。

　　相比而言，縱向幾何結(jié)構(gòu)能以更高的電流驅(qū)動(dòng)，不必增加芯片尺寸，從而簡(jiǎn)化了熱管理。縱向晶體管開(kāi)關(guān)的特性，是通過(guò)向半導(dǎo)體中引入兩種雜質(zhì)(摻雜劑)來(lái)設(shè)計(jì)的。開(kāi)關(guān)“打開(kāi)”時(shí)，N型摻雜，提供移動(dòng)的載流子(電子)，用于攜帶電流;開(kāi)關(guān)“關(guān)閉”時(shí)，P型摻雜，會(huì)啟動(dòng)電壓阻斷。

　　Masataka Higashiwaki 領(lǐng)導(dǎo)的 NICT 科研小組率先在 Ga2O3 器件中使用硅作為N型摻雜劑，但是科學(xué)界長(zhǎng)期以來(lái)一直在為找到一種合適的P型摻雜劑而努力。今年早些時(shí)候，同一科研小組，公布了用氮(N)作為P型摻雜劑的可行性。他們最新的成果包括首次通過(guò)高能量摻雜劑引入工藝，即所謂的“離子注入”，整合硅與氮摻雜，設(shè)計(jì)出一個(gè) Ga2O3 晶體管。

　　據(jù)悉，縱向功率器件可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)100A的電流和超過(guò)1kV的電壓，這樣的結(jié)合是許多應(yīng)用所要求的，特別是電力工業(yè)和汽車(chē)電力系統(tǒng)所需要的。

　　熱管理方法研究

　　近期，美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)、美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室和韓國(guó)大學(xué)的研究人員也在研究氧化鎵MOSFET。佛羅里達(dá)大學(xué)材料科學(xué)與工程教授Stephen Pearton表示，它們正在研究氧化鎵作為MOSFET的發(fā)展?jié)摿?。傳統(tǒng)上，這些微型電子開(kāi)關(guān)由硅制成，用于筆記本電腦、智能手機(jī)和其他電子產(chǎn)品。對(duì)于像電動(dòng)汽車(chē)充電站這樣的系統(tǒng)，我們需要能夠在比硅基器件更高的功率水平下工作的MOSFET，而氧化鎵可能就是解決方案。為了實(shí)現(xiàn)這些先進(jìn)的MOSFET，該團(tuán)隊(duì)確定了需要改進(jìn)柵極電介質(zhì)，以及更有效地從器件中釋放熱量的熱管理方法。

　　結(jié)語(yǔ)

　　氧化鎵是一種新興的功率半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度大于硅，氮化鎵和碳化硅，在高功率應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)愈加明顯。但氧化鎵不會(huì)取代SiC和GaN，后兩者是硅之后的下一代主要半導(dǎo)體材料。

　　氧化鎵更有可能在擴(kuò)展超寬禁帶系統(tǒng)可用的功率和電壓范圍方面發(fā)揮作用。而最有希望的應(yīng)用可能是電力調(diào)節(jié)和配電系統(tǒng)中的高壓整流器，如電動(dòng)汽車(chē)和光伏太陽(yáng)能系統(tǒng)。

　　但是，在成為電力電子產(chǎn)品的主要競(jìng)爭(zhēng)者之前，氧化鎵仍需要開(kāi)展更多的研發(fā)和推進(jìn)工作，以克服自身的不足。