- 技術講座：用氧化鎵能制造出比SiC性價比更高的功率元件

　　

2012-4-21 09:13:42 上傳

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　　圖2：N型傳導特性的控制范圍大

　　使用β-Ga2O3時，可在大范圍內(nèi)控制N型傳導性。實際上，通過摻雜施主雜質(zhì)，可在1016～1019cm-3范圍內(nèi)調(diào)整電子密度。

　　導通電阻僅為SiC的1/10
　　β-Ga2O3由于巴利加優(yōu)值較高，因此理論上來說，在制造相同耐壓的單極功率元件時，元件的導通電阻比采用SiC及GaN低很多（圖3）。降低導通電阻有利于減少電源電路在導通時的電力損失。

　　

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　　圖3：導通電阻比SiC及GaN小

　　在相同耐壓下比較時，β-Ga2O3制造的單極元件，其導通電阻理論上可降至使用SiC時的1/10、使用GaN時的1/3。圖中的直線與巴加利優(yōu)值的倒數(shù)相等。直線位置越接近右下方，制成的功率元件性能就越出色。
　　使用β-Ga2O3的功率元件不僅能夠降低導通時的損失，而且還可降低開關時的損失。因為從理論上說，在耐壓1kV以上的高耐壓用途方面，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“場板”的單極晶體管（MOSFET），其耐壓可達到3k～4kV。
　　而使用Si的話在耐壓為1kV時就必須使用雙極元件，即便使用耐壓公認較高的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，在導通及截止的開關動作時，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。
　　比如Si，在耐壓1kV以上的用途方面通常是晶體管使用IGBT，二極管使用PIN二極管。
　　SiC的話，耐壓4kV以下用途時晶體管可使用MOSFET等單極元件，二極管可使用肖特基勢壘二極管（SBD）等單極元件。但在耐壓4kV以上時導通電阻超過10mΩcm2，單極元件不具備實用性。因此必須使用雙極元件。
　　基板成本也較低
　　采用β-Ga2O3制作基板時，可使用“FZ（floating zone）法”及“EFG（edge-definedfilm-fed growth）法”等溶液生長法，這也是其特點之一（圖4）。溶液生長法容易制備結晶缺陷少、口徑大的單結晶，因此能夠以低成本輕松量產(chǎn)基板。實際上是利用FZ法或EFG法制備單結晶，然后將結晶切成薄片，以此來制造基板。

　　

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　　圖4：可利用溶液生長法

　　β-Ga2O3可利用FZ法及EFG法等溶液生長法（a）。已試制完成口徑為2英寸的基板（b）。

　　用于制造藍色LED芯片的藍寶石基板就是利用EFG法制造的。藍寶石基板不僅便宜而且結晶缺陷少，而且口徑較大，達到6～8英寸。而SiC基板的基礎即單結晶則需利用“升華法”制造，GaN基板的基礎即單結晶需利用“HVPE（hydridevapor phase epitaxy）法”等氣相法制造，因此在減少結晶缺陷和大口徑化方面有很大難度。
　　日本信息通信研究機構等的研究小組試制出的晶體管所使用的β-Ga2O3基板是利用FZ法制成的。外形尺寸也很小，只有6mm×4mm。
　　但只要導入與藍寶石基板相同的大型制造設備，就有望利用EFG法實現(xiàn)6英寸口徑。估計將來能夠以1萬日元以下的成本實現(xiàn)1塊口徑6英寸的β-Ga2O3基板。
　　制造時的耗電量也很小
　　β-Ga2O3不僅可降低基板成本，而且還可降低制造時的耗電量及設備成本。比如，據(jù)計算，采用EFG法時，制造基板的單位面積耗電量只有升華法的約1/3。
　　制造時耗電量小的原因在于生長速度快，以及結晶生長時溫度略低等。β-Ga2O3結晶的生長速度達到SiC的10倍以上。此外，升華法必須在2000℃以上的高溫下使結晶生長，而且EFG法只需要1725℃。
　　不僅是基板制造，在基板上形成的處延層也能夠以低于SiC及GaN的低溫來形成。SiC及GaN的話一般要在1000℃以上的高溫下使處延層生長。而β-Ga2O3基板在采用名為“mist CVD法”外延層生長方法時，生長溫度可降至不到500℃。由于可降低基板制造和外延層生長時的溫度，因此不僅是功率元件本身，連元件制造時的耗電量也可減少。
　　另外，由于不需要像SiC及GaN那樣的耐熱性高的制造設備，因此還有助于降低設備成本。
　　采用適合用來驗證的簡單構造
　　為了挖掘β-Ga2O3的這些出色潛能，我們開始對該材料進行研發(fā)。第一項成果就是上篇文章中提到的MESFET。盡管是未形成保護膜的非常簡單的構造，但耐壓卻高達257V，且泄漏電流只有5μA/mm（圖5）。