第三代半導體又有新成員？氧化鎵有什么優(yōu)點？

　　目前，以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第三代化合物半導體受到的關注度越來越高，它們在未來的大功率、高溫、高壓應用場合將發(fā)揮傳統(tǒng)的硅器件無法實現(xiàn)的作用。特別是在未來三大新興應用領域(汽車、5G和物聯(lián)網(wǎng))之一的汽車方面，會有非常廣闊的發(fā)展前景。

　　然而，SiC和GaN并不是終點，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，該種化合物半導體在更高功率的應用方面具有獨特優(yōu)勢。因此，近幾年關于氧化鎵的研究又熱了起來。

　　實際上，氧化鎵并不是很新的技術(shù)，多年前就有公司和研究機構(gòu)對其在功率半導體領域的應用進行鉆研，但就實際應用場景來看，過去不如SiC和GaN的應用面廣，所以相關研發(fā)工作的風頭都被后二者搶去了。而隨著應用需求的發(fā)展愈加明朗，未來對高功率器件的性能要求越來越高，這使得人們更深切地看到了氧化鎵的優(yōu)勢和前景，相應的研發(fā)工作又多了起來，已成為美國、日本、德國等國家的研究熱點和競爭重點。而我國在這方面還是比較欠缺的。

　　氧化鎵的優(yōu)勢

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

　　雖然氧化鎵的導熱性能較差，但其禁帶寬度(4.9eV)超過碳化硅(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入導通狀態(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，并且能應對更高的功率，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，從而減少對龐大的冷卻系統(tǒng)的需求。

　　日本的相關機構(gòu)在氧化鎵功率器件研究方面一直處于業(yè)界領先水平。早些年，日本信息通信研究機構(gòu)(NICT)等研究小組使用Ga2O3試制了“MESFET”(metal-semiconductorfield effect transistor，金屬半導體場效應晶體管)。盡管是未形成保護膜(鈍化膜)的非常簡單的構(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來制造相同構(gòu)造的元件時，要想實現(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)確認有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，當時，與Ga2O3的結(jié)晶生長及物性相關的研究報告大部分都使用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，使其擊穿電場強度很大，具體如下圖所示。β-Ga2O3的擊穿電場強度約為8MV/cm，是Si的20多倍，相當于SiC及GaN的2倍以上。

　　由圖可以看出，β-Ga2O3的主要優(yōu)勢在于禁帶寬度，但也存在著不足，主要表現(xiàn)在遷移率和導熱率低，特別是導熱性能是其主要短板。不過，相對來說，這些缺點對功率器件的特性不會有太大的影響，這是因為功率器件的性能主要取決于擊穿電場強度。就β-Ga2O3而言，作為低損失性指標的“巴利加優(yōu)值(Baliga’s figure of merit)”與擊穿電場強度的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，元件的導通電阻比采用SiC或GaN的低很多。降低導通電阻有利于減少電源電路在導通時的電力損耗。使用β-Ga2O3的功率器件，不僅能減少導通時的電力損耗，還可降低開關時的損耗，因為在耐壓1kV以上的高耐壓應用方面，可以使用單極元件。

　　比如，設有利用保護膜來減輕電場向柵極集中的單極晶體管(MOSFET)，其耐壓可達到3k～4kV。而使用硅的話，在耐壓為1kV時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，在導通和截止的開關操作時，溝道內(nèi)的載流子的產(chǎn)生和消失會耗費時間，損失容易變大。

　　在導熱率方面，如果導熱率低，功率器件很難在高溫下工作。不過，實際應用中的工作溫度一般不會超過250℃，因此，實際應用當中不會在這方面出現(xiàn)大的問題。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、密封樹脂等的耐熱溫度最高也不過250℃，因此，功率器件的工作溫度也要控制在這一水平之下。

　　研究進展

　　高質(zhì)量β-Ga2O3晶體

　　一直以來，中國在β-Ga2O3晶體材料和器件方面的研究相對落后，尤其是功率器件的研究很少，關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，我國同濟大學物理科學與工程學院唐慧麗副教授、徐軍教授團隊采用自主知識產(chǎn)權(quán)的導模法技術(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″，位錯密度3.2×104cm-2，表面粗糙度<5A，該項研究成果將有力推動我國氧化鎵基電力電子器件和探測器件的發(fā)展。

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

　　α-Ga2O3是京都大學藤田靜雄教授全球首次開發(fā)成功的單結(jié)晶合成材料，可用于電動車的轉(zhuǎn)換器，能實現(xiàn)低功耗、低成本、小型輕量化。

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

　　氧化鎵MOSFET

　　今年早些時候，布法羅大學(UB)工程與應用科學學院電氣工程副教授Uttam Singisetti博士和他的學生制造了一個厚度為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較大，因此不適合智能手機和其他小型設備。但它可能有助于調(diào)節(jié)大規(guī)模運營中的能量流，例如收獲太陽能和風能的發(fā)電廠，以及電動汽車、火車和飛機等。

　　但是，該研究還需要深入下去，以解決其導熱性差的缺點。

　　縱向Ga2O3功率器件

　　近期，日本情報通信研究機構(gòu)(NICT)與東京農(nóng)工大學(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。

　　過去幾年來，Ga2O3 晶體管的開發(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)熱帶來的可靠性問題、表面不穩(wěn)定性，橫向器件不容易經(jīng)受住許多應用所需的高電流與高電壓的考驗。

　　相比而言，縱向幾何結(jié)構(gòu)能以更高的電流驅(qū)動，不必增加芯片尺寸，從而簡化了熱管理?？v向晶體管開關的特性，是通過向半導體中引入兩種雜質(zhì)(摻雜劑)來設計的。開關“打開”時，N型摻雜，提供移動的載流子(電子)，用于攜帶電流;開關“關閉”時，P型摻雜，會啟動電壓阻斷。

　　Masataka Higashiwaki 領導的 NICT 科研小組率先在 Ga2O3 器件中使用硅作為N型摻雜劑，但是科學界長期以來一直在為找到一種合適的P型摻雜劑而努力。今年早些時候，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，設計出一個 Ga2O3 晶體管。

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

　　熱管理方法研究

　　近期，美國佛羅里達大學、美國海軍研究實驗室和韓國大學的研究人員也在研究氧化鎵MOSFET。佛羅里達大學材料科學與工程教授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，這些微型電子開關由硅制成，用于筆記本電腦、智能手機和其他電子產(chǎn)品。對于像電動汽車充電站這樣的系統(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。為了實現(xiàn)這些先進的MOSFET，該團隊確定了需要改進柵極電介質(zhì)，以及更有效地從器件中釋放熱量的熱管理方法。

　　結(jié)語

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

　　氧化鎵更有可能在擴展超寬禁帶系統(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，如電動汽車和光伏太陽能系統(tǒng)。

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