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氧化鎵制造功率元件,比SiC更出色? - 全文

2012年04月18日 08:47 本站整理 作者:秩名 用戶評論(0

  氧化鎵制造功率元件,比SiC更出色?

  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、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,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(qiáng)度也會很大(圖1)。β-Ga2O3的擊穿電場強(qiáng)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。

  

  

  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,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(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(jìn)行控制(圖2)。

N型傳導(dǎo)特性的控制范圍大  

  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。

  導(dǎo)通電阻比SiC及GaN小

  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(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。

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( 發(fā)表人:電子大兵 )

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