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
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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(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“溶液生長法”。 
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(hù)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(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，擊穿電場強(qiáng)度也會(huì)很大（圖1）。β-Ga2O3的擊穿電場強(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。
圖1：擊穿電場強(qiáng)度大 帶隙越大，擊穿電場強(qiáng)度就越大。β-Ga2O3的擊穿電場強(qiáng)度為推測值。 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N型傳導(dǎo)特性進(jìn)行控制（圖2）。
圖2：N型傳導(dǎo)特性的控制范圍大 使用β-Ga2O3時(shí)，可在大范圍內(nèi)控制N型傳導(dǎo)性。實(shí)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1/10β-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(shí)，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(shí)的電力損失。
圖3：導(dǎo)通電阻比SiC及GaN小 在相同耐壓下比較時(shí)，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(shí)的1/10、使用GaN時(shí)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(shí)的損失，而且還可降低開關(guān)時(shí)的損失。因?yàn)閺睦碚撋险f，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(hù)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(shí)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(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(dǎo)通及截止的開關(guān)動(dòng)作時(shí)，溝道內(nèi)的載流子的產(chǎn)生和消失會(huì)耗費(fèi)時(shí)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(shí)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(shí)導(dǎo)通電阻超過10mΩcm2，單極元件不具備實(shí)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(shí)，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(diǎn)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(shí)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。
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(jī)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(shí)現(xiàn)6英寸口徑。估計(jì)將來能夠以1萬日元以下的成本實(shí)現(xiàn)1塊口徑6英寸的β-Ga2O3基板。 制造時(shí)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(shí)的耗電量及設(shè)備成本。比如，據(jù)計(jì)算，采用EFG法時(shí)，制造基板的單位面積耗電量只有升華法的約1/3。 制造時(shí)耗電量小的原因在于生長速度快，以及結(jié)晶生長時(shí)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(shí)，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(shí)的溫度，因此不僅是功率元件本身，連元件制造時(shí)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(yàn)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(jìn)行研發(fā)。第一項(xiàng)成果就是上篇文章中提到的MESFET。盡管是未形成保護(hù)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）。
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(yàn)證工作性能。此次使用了通過摻雜Mg實(shí)施半絕緣化處理的單結(jié)晶β-Ga2O3基板。基板尺寸為6mm×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(jìn)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(shí)，只會(huì)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(shí)，電流在兩電極間完全斷開，因此漏極電流不會(huì)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(shí)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(jìn)行RIE處理后，源區(qū)與漏區(qū)的Ti/Au電極間的電阻值會(huì)大幅減小，電流可輕松流過。這是因?yàn)椋琑IE處理使電極間的接觸從肖特基接觸變?yōu)闅W姆接觸（圖6）。
圖6：通過RIE處理使電流輕松流過 通過實(shí)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(jìn)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(jìn)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(yàn)證工作情況，因此未在元件表面形成保護(hù)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(shí)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(shí)際耐壓超過250V 試制品在施加＋2V柵極電壓時(shí)，最大漏極電流為16mA，漏極電壓為40V時(shí)，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。
圖7：試制品的各種電氣特性 試制品在施加+2V柵極電壓時(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)，實(shí)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(shí)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(jìn)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(hù)膜的話，便可降低泄漏電流。有望實(shí)現(xiàn)達(dá)到實(shí)用水平的106～107左右。 另外，輸出電流也可進(jìn)一步提高，還可常閉工作，很多特性都可達(dá)到實(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)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(shí)際MOSFET產(chǎn)品的制造。 制造MOSFET產(chǎn)品時(shí)，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(shí)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(dòng)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(dòng)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(jì)可達(dá)到10倍以上。 SiC基板也可實(shí)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(huì)變大。所以元件電阻的降低就會(huì)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(jī)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。
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(shí)施封裝的示例。 該試制品在驅(qū)動(dòng)電流為1200mA時(shí)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(shí)現(xiàn)5倍以上的光輸出功率。并且，通過改進(jìn)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。
圖A-2：光輸出功率高達(dá)170mW 試制品在驅(qū)動(dòng)電流為1200mA時(shí)的光輸出功率為170mW。將來通過改進(jìn)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(dòng)電流為200mA時(shí)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(dòng)電流為200mA時(shí)，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(dòng)時(shí)的發(fā)熱量。
圖A-3：工作電壓低 芯片尺寸為300μm見方，驅(qū)動(dòng)電流為200mA時(shí)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(shí)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(shí)，據(jù)推算，活性層至接合金屬的熱阻合計(jì)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(shí)用化方向推進(jìn)開發(fā)。 來源：電子工程網(wǎng) |
