關鍵詞： gan , SiC , 導通電阻 , 功率元件 , 氧化鎵

技術講座：用氧化鎵能制造出比SiC性價比更高的功率元件.pdf (930.95 KB, 下載次數: 5)

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體元件，因而引起了極大關注。契機源于日本信息通信研究機構等的研究小組開發出的β-Ga2O3晶體管。下面請這些研究小組的技術人員，以論文形式介紹一下β-Ga2O3的特點、研發成果以及今后的發展。
　　我們一直在致力于利用氧化鎵（Ga2O3）的功率半導體元件（以下簡稱功率元件）的研發。Ga2O3與作為新一代功率半導體材料推進開發的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且低成本制造單結晶的“溶液生長法”。

2012-4-21 09:13:42 上傳

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　　在我們瞄準的功率元件應用中，使用Ga2O3試制了“MESFET”（metal-semiconductorfield effect transistor，金屬半導體場效應晶體管）。盡管是未形成保護膜（鈍化膜）的非常簡單的構造，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來制造相同構造的元件時，要想實現像試制品這樣的特性，則是非常難的。
　　雖然研發尚處于初期階段，但我們認為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、研發成果，以及今后的目標等。
　　比SiC及GaN更為出色的性能
　　Ga2O3是金屬鎵的氧化物，同時也是一種半導體化合物。其結晶形態截至目前（2012年2月）已確認有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β結構最穩定。與Ga2O3的結晶生長及物性相關的研究報告大部分都使用β結構。我們也使用β結構展開了研發。
　　β-Ga2O3具備名為“β-gallia”的單結晶構造。β-Ga2O3的帶隙很大，達到4.8～4.9eV，這一數值為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，達到Si的20多倍，相當于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的同時，也有一些不如SiC及GaN的方面，這就是遷移率和導熱率低，以及難以制造p型半導體。不過，我們認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，作為低損失性指標的“巴利加優值（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，巴加利優值較大，是SiC的約10倍、GaN的約4倍。
　　一般情況下，導熱率低的話，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，關于難以制造p型半導體這一點，使用β-Ga2O3來制作功率元件時，可以將其用作N型半導體，因此也不是什么問題。而且，通過摻雜Sn及Si等施主雜質，可在電子濃度為1016～1019cm-3的大范圍內對N型傳導特性進行控制（圖2）。