功率半導體氧化鎵到底是什么

　　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(guān)注度越來(lái)越高，它們在未來(lái)的大功率、高溫、高壓應用場(chǎng)合將發(fā)揮傳統的硅器件無(wú)法實(shí)現的作用。特別是在未來(lái)三大新興應用領(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，該種化合物半導體在更高功率的應用方面具有獨特優(yōu)勢。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構對其在功率半導體領(lǐng)域的應用進(jìn)行鉆研，但就實(shí)際應用場(chǎng)景來(lái)看，過(guò)去不如SiC和GaN的應用面廣，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(zhù)應用需求的發(fā)展愈加明朗，未來(lái)對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)勢和前景，相應的研發(fā)工作又多了起來(lái)，已成為美國、日本、德國等國家的研究熱點(diǎn)和競爭重點(diǎn)。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(xiàn)濾光片。這些是氧化鎵的傳統應用領(lǐng)域，而其在未來(lái)的功率、特別是大功率應用場(chǎng)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(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)入導通狀態(tài)所需的能量。采用寬禁帶材料制成的系統可以比由禁帶較窄材料組成的系統更薄、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的需求。

　　日本的相關(guān)機構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構(NICT)等研究小組使用Ga2O3試制了“MESFET”(metal-semiconductorfield effect transistor，金屬半導體場(chǎng)效應晶體管)。盡管是未形成保護膜(鈍化膜)的非常簡(jiǎn)單的構造，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)制造相同構造的元件時(shí)，要想實(shí)現像試制品這樣的特性，則是非常難的。

　　2012年，Ga2O3的結晶形態(tài)確認有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β結構最穩定，當時(shí)，與Ga2O3的結晶生長(cháng)及物性相關(guān)的研究報告大部分都使用β結構。

　　例如，單結晶構造的β-Ga2O3由于具有較寬的禁帶，使其擊穿電場(chǎng)強度很大，具體如下圖所示。β-Ga2O3的擊穿電場(chǎng)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(zhù)不足，主要表現在遷移率和導熱率低，特別是導熱性能是其主要短板。不過(guò)，相對來(lái)說(shuō)，這些缺點(diǎn)對功率器件的特性不會(huì )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(chǎng)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(chǎng)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(shí)，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(shí)的電力損耗。使用β-Ga2O3的功率器件，不僅能減少導通時(shí)的電力損耗，還可降低開(kāi)關(guān)時(shí)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(lái)減輕電場(chǎng)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(huà)，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，在導通和截止的開(kāi)關(guān)操作時(shí)，溝道內的載流子的產(chǎn)生和消失會(huì )耗費時(shí)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(guò)，實(shí)際應用中的工作溫度一般不會(huì )超過(guò)250℃，因此，實(shí)際應用當中不會(huì )在這方面出現大的問(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(xiàn)、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(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，我國同濟大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院唐慧麗副教授、徐軍教授團隊采用自主知識產(chǎn)權的導模法技術(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(xiàn)雙晶搖擺曲線(xiàn)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(dòng)我國氧化鎵基電力電子器件和探測器件的發(fā)展。