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)注度越來越高，它們在未來的大功率、高溫、高壓應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)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(yīng)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。

　　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(lǐng)域的應(yīng)用進行鉆研，但就實際應(yīng)用場景來看，過去不如SiC和GaN的應(yīng)用面廣，所以相關(guān)研發(fā)工作的風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(yīng)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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域，而其在未來的功率、特別是大功率應(yīng)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(yīng)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(guān)機構(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(yīng)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(guān)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(guān)時的損耗，因為在耐壓1kV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(guān)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(yīng)用中的工作溫度一般不會超過250℃，因此，實際應(yīng)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(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。