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

關(guān)鍵詞： gan , SiC , 導(dǎo)通電阻 , 功率元件 , 氧化鎵

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.pdf (930.95 KB, 下載次數(shù): 5)

2012-4-21 09:18:56 上傳

下載次數(shù): 5
下載積分: 積分 -1

　　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”。

2012-4-21 09:13:42 上傳

下載附件 (153.46 KB)

　　在我們瞄準(zhǔn)的功率元件應(yīng)用中，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、泄漏電流小的特性。而使用SiC及GaN來制造相同構(gòu)造的元件時(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。
　　

　　

2012-4-21 09:13:42 上傳

下載附件 (96.26 KB)

        

2012-4-21 09:13:42 上傳

下載附件 (69.71 KB)

　　圖1：擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度大

　　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，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。
　　之所以說遷移率低不會(huì)有太大問題，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’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，工作溫度再高也不過200～250℃，因此實(shí)際使用時(shí)不會(huì)有問題。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，因此也不是什么問題。而且，通過摻雜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）。