氧化镓-新一代功率器件半导体材料

在过去的十年中，氧化镓的技术发展迅速，将其推向半导体技术的前沿。主要的目标应用领域是电力电子，其中氧化镓的固有材料特性 - 高临界场强，广泛可调的导电性，低迁移率和基于熔体的体积增长 - 有望以低成本提供所需的高性能。

为了最大限度地发挥新型半导体技术的潜力，业界必须齐心协力解决阻碍性能的技术障碍。自2016年以来，超宽带隙半导体领域取得了重大技术进步，当时京都大学专门从事氧化镓薄膜研发和商业化的衍生公司Flosfia得出结论，氧化镓值得开发。

半导体行业正越来越多地转向由碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽带隙材料制成的器件。由于其成本高，开发一种用于电力电子元件的新材料的研究提出了一种超宽带隙材料，称为β-氧化镓（β-Ga2O3）。与过去基于结的设计方法相比，该材料更加关注材料研究，以提高电力电子器件的整体性能。β-GA2O3以其独特的固有特性脱颖而出，如5eV的超高带隙，良好的导电性和磁场保持能力，有史以来最高的高临界场强5.5MV/ m等。

图1：截至2021年10月各行业迈向β-Ga2O3商业化的技术进展顶层视图

以不同的方式加工材料可以产生各种特性，证明其灵活性。例如，从熔体中掺杂材料会导致电阻率为10mΩcm，而硅注入可以进一步将其降低到1mΩcm。材料上的卤化物蒸气外延可以控制在1015到1019厘米-3的掺杂浓度范围内。在材料上制造标准特征也相对容易。例如，欧姆和肖特基触点可以在相对较低的退火温度下使用钛、铝和镍等标准金属制成。材料的晶圆化和研磨可以使用标准生产工具完成。不同的介电材料，如AL2O3沉积采用原子层沉积法，可用作栅极电介质。

氧化镓的性质

β-Ga2O3相对较低的迁移率使其能够表现出比SiC和GaN更好的性能。从熔体中生长的材料的特性使得以低于块状氮化镓、碳化硅和金刚石的成本制造高质量晶体成为可能。β-Ga2O3晶体管品质因数比4H-SiC好约3倍，比GaN好20%。与现有的宽带隙材料相比，这些优势使β-Ga2O3作为一种可行且低成本的替代方案处于领先地位，具有更高的性能。然而，目前存在阻碍其大规模商业化的挑战。

在材料特性方面，β-Ga2O3具有非常低的导热系数，阻碍了高效传热，这是电力电子器件的一个关键方面。实现薄芯片将成为提高β-Ga2O3导热性努力的一个组成部分，这将补充为这些器件开发更好的散热技术的努力。该材料具有平坦的价带，导致空穴传输可以忽略不计，这意味着缺乏p型。这可以防止形成任何雪崩的p-n结，这对于部署在具有嘈杂电源的区域或需要快速接管大感性负载的应用（如UPS）的设备来说是一个问题。器件的额定值及其可靠性受到芯片边缘电场的影响，即管理不善会导致性能和可靠性下降，而缺少p型可能会使问题恶化。缺少p型也对增强模式晶体管的设计施加了限制。正在研究各种芯片端接方法，例如坡口端接和使用p型氧化物的端接。然而，目前缓解这一问题的解决方案涉及严格的过程控制，这对其可行性产生了怀疑。

图2：典型的半导体晶圆

减小晶圆尺寸也是一个问题，因为较大的晶圆尺寸可以帮助降低制造工艺的成本，同时提高晶体质量，降低缺陷率等。目前制造β-Ga2O3器件的最大晶圆尺寸为100mm，而行业标准为150mm，越来越多的公司正朝着20mm尺寸发展。制造β-GA2O3还必须朝着这些晶圆尺寸发展，以便能够利用现有的先进制造基础设施。此外，由β-Ga2O3制成的器件没有任何关于其可靠性的数据，这方面的任何研究都处于起步阶段。

还有一些经济因素需要解决，例如在β-Ga2O3的批量生产过程中，昂贵的稀有金属坩埚的某些部件的损失（在边缘的薄膜进料生长（EFG）和Czochralski（CZ），铱等制造方法的情况下）晶体。根据其它半导体材料的最新技术的要求增加基板的尺寸往往会使问题恶化并加速这些坩埚的失效。据报道，中国的研究人员已经开发出可以帮助缓解这种情况的方法，进一步将制造过程的成本降低约10倍。这项技术的大规模实施还有待观察。适用于垂直β-Ga2O3外延层生长的设备需要最先进的机器上不存在的技术。

对使用β-Ga2O3制造的器件的设计，开发和商业化投入了大量兴趣和研究。。这种兴趣是制造基板技术令人印象深刻的增长的原因，因为公司正在走向商业化。尽管已经有许多器件演示，但由于前面提到的挑战，许多优化尚未完成，这阻碍了器件的大规模生产。材料的大量可用性将在加速器件开发方面发挥重要作用，因为材料的可用性是引入器件的先决条件。β-GA2O3技术在其成熟过程中已经达到了一个激动人心的时刻，材料很容易获得，并且阻碍其在器件中使用的挑战是众所周知的，并有据可查。剩下的就是齐心协力扎根，成功开发经济上可行的大规模制造技术，并制造具有高可靠性并充分利用材料优势的器件。

审核编辑 ：李倩