技術(shù)講座：用氧化鎵能制造出比SiC性價比更高的功率元件 - 全文

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

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2012-4-21 09:18:56 上傳

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　　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。契機源于日本信息通信研究機構(gòu)等的研究小組開發(fā)出的β-Ga2O3晶體管。下面請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、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“溶液生長法”。

2012-4-21 09:13:42 上傳

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　　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、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，要想實現(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)晶生長及物性相關(guān)的研究報告大部分都使用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，擊穿電場強度也會很大（圖1）。β-Ga2O3的擊穿電場強度估計為8MV/cm左右，達(dá)到Si的20多倍，相當(dāng)于SiC及GaN的2倍以上。
　　

　　

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　　圖1：擊穿電場強度大

　　帶隙越大，擊穿電場強度就越大。β-Ga2O3的擊穿電場強度為推測值。

　　β-Ga2O3在顯示出出色的物性參數(shù)的同時，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)為這些方面對功率元件的特性不會有太大的影響。
　　之所以說遷移率低不會有太大問題，是因為功率元件的性能很大程度上取決于擊穿電場強度。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）”與擊穿電場強度的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℃，因此實際使用時不會有問題。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，使用β-Ga2O3來制作功率元件時，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N型傳導(dǎo)特性進行控制（圖2）。

　　

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　　圖2：N型傳導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)通電阻比采用SiC及GaN低很多（圖3）。降低導(dǎo)通電阻有利于減少電源電路在導(dǎo)通時的電力損失。

　　

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　　圖3：導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)通時的損失，而且還可降低開關(guān)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(shè)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(dá)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(rèn)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(dǎo)通及截止的開關(guān)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(dǎo)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(jié)晶缺陷少、口徑大的單結(jié)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(jié)晶，然后將結(jié)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(lán)色LED芯片的藍(lán)寶石基板就是利用EFG法制造的。藍(lán)寶石基板不僅便宜而且結(jié)晶缺陷少，而且口徑較大，達(dá)到6～8英寸。而SiC基板的基礎(chǔ)即單結(jié)晶則需利用“升華法”制造，GaN基板的基礎(chǔ)即單結(jié)晶需利用“HVPE（hydridevapor phase epitaxy）法”等氣相法制造，因此在減少結(jié)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(gòu)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(dǎo)入與藍(lán)寶石基板相同的大型制造設(shè)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(shè)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(jié)晶生長時溫度略低等。β-Ga2O3結(jié)晶的生長速度達(dá)到SiC的10倍以上。此外，升華法必須在2000℃以上的高溫下使結(jié)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(shè)備，因此還有助于降低設(shè)備成本。
　　采用適合用來驗證的簡單構(gòu)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(gòu)造，但耐壓卻高達(dá)257V，且泄漏電流只有5μA/mm（圖5）。

　　

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　　圖5：使用β-Ga2O3試制晶體管

　　試制的β-Ga2O3的MESFET采用圓形電極圖案（a）。雖然構(gòu)造簡單，但耐壓卻高達(dá)257V（b、c）

　　MESFET在多種FET中構(gòu)造最簡單、最容易制造，適合用來驗證工作性能。
　　此次使用了通過摻雜Mg實施半絕緣化處理的單結(jié)晶β-Ga2O3基板?；宄叽鐬?mm×4mm。晶面方向利用可將外延生長速度比其他面方向最大提10倍左右的（010）面。
　　在該基板上利用分子束外延（MBE）法形成作為溝道層的n型Ga2O3層。厚度為300nm，為制成n型摻雜了Sn。
　　進行二次離子質(zhì)譜分析（SIMS）后表明，n型Ga2O3層的Sn濃度達(dá)到7×1017cm-3。
　　采用圓形電極
　　β-Ga2O3的絕緣技術(shù)還在開發(fā)之中，因此此次采用了圓形電極圖案。采用該圖案時，只會在內(nèi)側(cè)的源極及與外側(cè)的漏極兩電極間產(chǎn)生電場。這時，電流在兩電極間完全斷開，因此漏極電流不會泄漏到圖案外部，無需絕緣。在源區(qū)、漏區(qū)及柵區(qū)的電極中，先形成了源區(qū)和漏區(qū)的歐姆電極。具體做法是：首先利用光刻技術(shù)形成圖案；然后利用BCl3/Ar混合氣體對相當(dāng)于光刻后窗口部分的n型Ga2O3薄膜實施“反應(yīng)性離子蝕刻（RIE）處理；最后，在RIE部分蒸鍍Ti（20nm）/Au（230nm），并通過剝離它們來制作源極和漏極。
　　進行RIE處理后，源區(qū)與漏區(qū)的Ti/Au電極間的電阻值會大幅減小，電流可輕松流過。這是因為，RIE處理使電極間的接觸從肖特基接觸變?yōu)闅W姆接觸（圖6）。

　　

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　　圖6：通過RIE處理使電流輕松流過

　　通過實施RIE處理，可使電流輕松流過。原因是電極接觸特性由肖特基接觸變?yōu)闅W姆接觸，電極接觸部的電阻值變小。

　　形成源極和漏極后，再次利用光刻技術(shù)形成圖案，這次不進行RIE處理，而是直接在相當(dāng)于窗口部分的n型Ga2O3薄膜上蒸鍍Pt（15nm）/Ti（5 nm）/Au（250nm）。之后在進行剝離，制成肖特基結(jié)的柵極電極。此次試制品的目的只是為了驗證工作情況，因此未在元件表面形成保護膜。試制品的柵極長度為4μm，源漏間距為20μm。漏極尺寸為直徑200μm。另外，此次試制的晶體管在源極與漏極之間配置有測定時接觸探針的柵極焊盤電極部分，因此無法明確定義柵極寬度。不過，以漏極的外周長度作為柵極寬度的話約為600μm。
　　實際耐壓超過250V
　　試制品在施加＋2V柵極電壓時，最大漏極電流為16mA，漏極電壓為40V時，最大跨導(dǎo)為1.4mS（圖7）。夾斷狀態(tài)下的漏極電流為3μA，漏極電流的導(dǎo)通/截止比為104左右。在施加?xùn)艠O電壓，并使漏極電流截止的狀態(tài)下，相當(dāng)于可施加的最大漏極電壓的“三端子截止泄漏耐壓”約為250V。

　　

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　　圖7：試制品的各種電氣特性

　　試制品在施加+2V柵極電壓時的最大漏極電流為16mA（a）。耐壓為257V。夾斷狀態(tài)下的漏極泄漏電流僅為3μA（b）。漏極電壓為40V時，最大跨導(dǎo)為1.4mS。

　　此次試制品的所有特性均未達(dá)到產(chǎn)品化水平。不過，作為研發(fā)初期階段的非常簡單的晶體管來說，已經(jīng)很出色了。與GaN類MESFET研發(fā)的初期階段（1990年代前半期）相比，也已經(jīng)實現(xiàn)了同等或以上的成果。此次獲得的良好特性源于Ga2O3作為半導(dǎo)體材料的巨大潛力，以及外延層的材料與基板相同（即同型）。
　　其實，實際耐壓比250V還要高。該電壓是電極金屬隨著電極間短路而燒焦后的數(shù)值。因此，實際能使Ga2O3發(fā)生擊穿的電壓更高。至少可耐壓1kV以上。
　　另外，泄漏電流還有望進一步降低，這樣就能夠提高電流的導(dǎo)通/截止比。此次的泄漏電流并非流過Ga2O3基板內(nèi)部的電流，而是主要在n型Ga2O3的表面?zhèn)鲗?dǎo)的電流。因此，在元件表面形成保護膜的話，便可降低泄漏電流。有望實現(xiàn)達(dá)到實用水平的106～107左右。
　　另外，輸出電流也可進一步提高，還可常閉工作，很多特性都可達(dá)到實用化要求。
　　目標(biāo)是制造MOSFET
　　使用β-Ga2O3的功率元件的研發(fā)現(xiàn)在才剛剛開始。雖然還存在眾多課題，如4英寸以上大尺寸基板的制造技術(shù)、包括摻雜在內(nèi)的外延生長技術(shù)，以及功率元件的工藝技術(shù)等，但目前已看到了解決的希望。
　　要想實現(xiàn)實用化，首先要試制出能夠常閉型工作的晶體管。因此，我們開始致力于實際MOSFET產(chǎn)品的制造。
　　制造MOSFET產(chǎn)品時，柵極絕緣膜使用帶隙非常大的Al2O3、SiO2等氧化物。由于同為氧化物的緣故，這些氧化物絕緣膜與Ga2O3的界面有望實現(xiàn)低缺陷密度（界面狀密度）。我們將力爭在2015年之前制造出口徑4英寸的基板和MOSFET，并在2020年之前開始作為功率元件開始小規(guī)模量產(chǎn)。
　　β-Ga2O3用于高功率LED
　　β-Ga2O3不僅可用于功率元件，而且還可用于LED芯片、各種傳感器元件及攝像元件等，應(yīng)用范圍很廣。其中，使用GaN類半導(dǎo)體的LED芯片基板是最被看好的用途。尤其值得一提的是，β-Ga2O3具備適合需要大驅(qū)動電流的高功率LED的特性。
　　GaN基LED芯片廣泛用于藍(lán)色、紫色及紫外等光線波長較短的LED。其中，藍(lán)色LED芯片是作為白色LED的重要基礎(chǔ)部件。GaN基藍(lán)色LED芯片現(xiàn)在是在藍(lán)寶石基板上制造。
　　β-Ga2O3基板與藍(lán)寶石基板相比，紫外光及可見光的透射率同為80％，此外其電阻率為0.005Ωcm左右，具有良好的導(dǎo)電性。
　　透射率越高，就越容易將LED芯片發(fā)光層發(fā)出的光提取到外部，有望提高光輸出功率及發(fā)光效率。而且，由于導(dǎo)電性高，因此還可采用在LED芯片表面和背面分別形成陽極和陰極的垂直結(jié)構(gòu)。而藍(lán)寶石基板具有絕緣性，因此采用橫向配置陽極和陰極的橫向結(jié)構(gòu)。
　　垂直結(jié)構(gòu)與橫向結(jié)構(gòu)相比，不僅可以降低元件電阻及熱阻，而且還可使電流分布均勻化。由于元件電阻及熱阻越小，LED芯片的發(fā)熱量就越少，因此適合驅(qū)動電流較大的情況。
　　垂直結(jié)構(gòu)容易使電流分布均勻化，因此即使流過大電流，LED芯片也不易損壞。此外，電流均勻流過LED芯片，還可減輕發(fā)光不均現(xiàn)象。因此，與采用橫向結(jié)構(gòu)的普通的藍(lán)寶石基板產(chǎn)品相比，β-Ga2O3基板單位面積的光輸出功率估計可達(dá)到10倍以上。
　　SiC基板也可實現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)，但其成本較高。而采用β-Ga2O3的話，則有望以更低成本來制造基板。
　　SiC基板在元件特性方面也存在問題。SiC基板的藍(lán)色光吸收特性與電阻呈此消彼長的關(guān)系。抑制藍(lán)色光的吸收，電阻就會變大。所以元件電阻的降低就會存在極限。
　　光輸出功率為市售產(chǎn)品的5倍
　　雖然使用β-Ga2O3基板的GaN基LED芯片目前正在開發(fā)之中，但已經(jīng)獲得了一定成果。比如，日本信息通信研究機構(gòu)（NICT）的研究小組試制出了發(fā)光波長為450nm的300μm見方的LED元件。該元件在n型Ga2O3基板上，利用MOCVD法，經(jīng)由緩沖層層疊了n型GaN層、InGaN/GaN的多重量子阱構(gòu)造的活性層，以及p型GaN層（圖A-1）。在基板側(cè)形成了Ti/Au的n型電極，在另一側(cè)形成了Ag類的p型電極。

　　

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　　圖A-1：在n型Ga2O3基板上制造的GaN基LED芯片

　　在n型Ga2O3基板上經(jīng)由緩沖層層疊GaN類半導(dǎo)體，由此制造LED芯片。本圖是將p層朝下實施封裝的示例。

　　該試制品在驅(qū)動電流為1200mA時的光輸出功率為170mW（圖A-2）。與市售的300μm見方橫向結(jié)構(gòu)藍(lán)色LED芯片相比，可實現(xiàn)5倍以上的光輸出功率。并且，通過改進發(fā)光層及光提取構(gòu)造等，還有望將光輸出功率再提高2倍。

　　

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　　圖A-2：光輸出功率高達(dá)170mW

　　試制品在驅(qū)動電流為1200mA時的光輸出功率為170mW。將來通過改進發(fā)光層及光提取構(gòu)造等，還有望將光輸出功率再提高2倍。
　　此外，NICT的研究小組還試制出了元件電阻得以降低的使用β-Ga2O3基板LED芯片。芯片尺寸為300μm見方，驅(qū)動電流為200mA時工作電壓僅為3.3V（圖A-3）。該尺寸的橫行結(jié)構(gòu)市售產(chǎn)品在驅(qū)動電流為200mA時，工作電壓高達(dá)4.7V。由于工作電壓低，因此能夠減少以大電流驅(qū)動時的發(fā)熱量。

　　

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　　圖A-3：工作電壓低

　　芯片尺寸為300μm見方，驅(qū)動電流為200mA時工作電壓僅為3.3V。
　　熱阻降至1/10以下
　　另外，此次試制的LED芯片的熱阻很低。通過將LED芯片的p層側(cè)朝下實施封裝，便可抑制熱阻（圖A-1）。使用AuSn作為固晶部分的接合金屬，而且LED芯片尺寸為1mm見方時，據(jù)推算，活性層至接合金屬的熱阻合計在0.1℃/W以下，僅為同尺寸的橫向結(jié)構(gòu)市售產(chǎn)品的1/10～1/100。
　　而且試制的LED芯片的電流分布也很均勻。為了調(diào)查其電流分布情況，研究小組檢測了1mm見方LED芯片內(nèi)部的面內(nèi)溫度分布。結(jié)果顯示，即使元件溫度平均上升70℃，面內(nèi)溫度差最大也只有7℃。
　　如上所述，使用β-Ga2O3基板的LED芯片非常適合大電流用途。在將這種基板用于LED產(chǎn)品方面，NICT的研究小組正以2012年度內(nèi)推出產(chǎn)品為目標(biāo)，朝著實用化方向推進開發(fā)。

來源：電子工程網(wǎng)