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技術(shù)突破:中國電科46所成功制備4英寸氧化鎵單晶

電子工程師 ? 來源:lp ? 2019-03-01 15:03 ? 次閱讀

27日,從中國電子科技集團(tuán)有限公司獲悉,近日,中國電科46所經(jīng)過多年氧化鎵晶體生長技術(shù)探索,通過改進(jìn)熱場結(jié)構(gòu)、優(yōu)化生長氣氛和晶體生長工藝,有效解決了晶體生長過程中原料分解、多晶形成、晶體開裂等問題,采用導(dǎo)模法成功制備出高質(zhì)量的4英寸氧化鎵單晶。

據(jù)介紹,氧化鎵是一種新型超寬禁帶半導(dǎo)體材料,適用于制造高電流密度的功率器件、紫外探測器、發(fā)光二極管等。但由于氧化鎵屬于單斜晶系,具有高熔點(diǎn)、高溫分解以及易開裂的特性,因此,大尺寸氧化鎵單晶制備極為困難。

中國電科46所制備的氧化鎵單晶的寬度接近100mm,總長度達(dá)到250mm,可加工出4英寸晶圓、3英寸晶圓和2英寸晶圓。經(jīng)測試,晶體具有很好的結(jié)晶質(zhì)量,將為國內(nèi)相關(guān)器件的研制提供有力支撐。

氧化鎵的優(yōu)勢

氧化鎵是一種寬禁帶半導(dǎo)體,禁帶寬度Eg=4.9eV,其導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)入導(dǎo)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(jī)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(jī)構(gòu)(NICT)等研究小組使用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、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。

2012年,Ga2O3的結(jié)晶形態(tài)確認(rèn)有α、β、γ、δ、ε五種,其中,β結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定,當(dāng)時(shí),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)。

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(qiáng)度很大,具體如下圖所示。β-Ga2O3的擊穿電場強(qiáng)度約為8MV/cm,是Si的20多倍,相當(dāng)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(dǎo)熱率低,特別是導(dǎo)熱性能是其主要短板。不過,相對來說,這些缺點(diǎn)對功率器件的特性不會有太大的影響,這是因?yàn)楣β势骷男阅苤饕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(shí),元件的導(dǎo)通電阻比采用SiC或GaN的低很多。降低導(dǎo)通電阻有利于減少電源電路在導(dǎo)通時(shí)的電力損耗。使用β-Ga2O3的功率器件,不僅能減少導(dǎo)通時(shí)的電力損耗,還可降低開關(guān)時(shí)的損耗,因?yàn)樵谀蛪?kV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(hù)膜來減輕電場向柵極集中的單極晶體管(MOSFET),其耐壓可達(dá)到3k~4kV。而使用硅的話,在耐壓為1kV時(shí)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(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)通和截止的開關(guān)操作時(shí),溝道內(nèi)的載流子的產(chǎn)生和消失會耗費(fèi)時(shí)間,損失容易變大。

在導(dǎo)熱率方面,如果導(dǎo)熱率低,功率器件很難在高溫下工作。不過,實(shí)際應(yīng)用中的工作溫度一般不會超過250℃,因此,實(shí)際應(yīng)用當(dāng)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。

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原文標(biāo)題:市場 | 技術(shù)突破,中國電科46所成功制備4英寸氧化鎵單晶

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