技術講座：用氧化鎵能制造出比SiC性價比更高的功率元件（一）

　　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(fā)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(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體材料推進開發(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且低成本制造單結晶的“溶液生長法”。

　　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(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(tài)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(wěn)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(fā)。

　　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(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(shù)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(yōu)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(yōu)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）。

　　圖2：N型傳導特性的控制范圍大

　　使用β-Ga2O3時，可在大范圍內控制N型傳導性。實際上，通過摻雜施主雜質，可在1016～1019cm-3范圍內調整電子密度。

　　導通電阻僅為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，元件的導通電阻比采用SiC及GaN低很多（圖3）。降低導通電阻有利于減少電源電路在導通時的電力損失。

　　圖3：導通電阻比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通時的損失，而且還可降低開關時的損失。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，設有利用保護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，在導通及截止的開關動作時，溝道內的載流子的產(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。