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。
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。