技术讲座：用氧化镓能制造出比SiC性价比更高的功率元件

关键词： gan , SiC , 导通电阻 , 功率元件 , 氧化镓

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2012-4-21 09:18:56 上传

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　　与SiC和GaN相比，β-Ga2O3有望以低成本制造出高耐压且低损失的功率半导体元件，因而引起了极大关注。契机源于日本信息通信研究机构等的研究小组开发出的β-Ga2O3晶体管。下面请这些研究小组的技术人员，以论文形式介绍一下β-Ga2O3的特点、研发成果以及今后的发展。
　　我们一直在致力于利用氧化镓（Ga2O3）的功率半导体元件（以下简称功率元件）的研发。Ga2O3与作为新一代功率半导体材料推进开发的SiC和GaN相比，有望以低成本制造出高耐压且低损失的功率元件。其原因在于材料特性出色，比如带隙比SiC及GaN大，而且还可利用能够高品质且低成本制造单结晶的“溶液生长法”。

2012-4-21 09:13:42 上传

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　　在我们瞄准的功率元件应用中，使用Ga2O3试制了“MESFET”（metal-semiconductorfield effect transistor，金属半导体场效应晶体管）。尽管是未形成保护膜（钝化膜）的非常简单的构造，但试制品显示出了耐压高、泄漏电流小的特性。而使用SiC及GaN来制造相同构造的元件时，要想实现像试制品这样的特性，则是非常难的。
　　虽然研发尚处于初期阶段，但我们认为Ga2O3的潜力巨大。本论文将介绍Ga2O3在功率元件用途方面的使用价值、研发成果，以及今后的目标等。
　　比SiC及GaN更为出色的性能
　　Ga2O3是金属镓的氧化物，同时也是一种半导体化合物。其结晶形态截至目前（2012年2月）已确认有α、β、γ、δ、ε五种，其中，β结构最稳定。与Ga2O3的结晶生长及物性相关的研究报告大部分都使用β结构。我们也使用β结构展开了研发。
　　β-Ga2O3具备名为“β-gallia”的单结晶构造。β-Ga2O3的带隙很大，达到4.8～4.9eV，这一数值为Si的4倍多，而且也超过了SiC的3.3eV 及GaN的3.4eV（表1）。一般情况下，带隙大的话，击穿电场强度也会很大（图1）。β-Ga2O3的击穿电场强度估计为8MV/cm左右，达到Si的20多倍，相当于SiC及GaN的2倍以上。
　　

　　

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　　图1：击穿电场强度大

　　带隙越大，击穿电场强度就越大。β-Ga2O3的击穿电场强度为推测值。

　　β-Ga2O3在显示出出色的物性参数的同时，也有一些不如SiC及GaN的方面，这就是迁移率和导热率低，以及难以制造p型半导体。不过，我们认为这些方面对功率元件的特性不会有太大的影响。
　　之所以说迁移率低不会有太大问题，是因为功率元件的性能很大程度上取决于击穿电场强度。就β-Ga2O3而言，作为低损失性指标的“巴利加优值（Baliga’s figure of merit）”与击穿电场强度的3次方成正比、与迁移率的1次方成正比。因此，巴加利优值较大，是SiC的约10倍、GaN的约4倍。
　　一般情况下，导热率低的话，很难使功率元件在高温下工作。不过，工作温度再高也不过200～250℃，因此实际使用时不会有问题。而且封装有功率元件的模块及电源电路等使用的封装材料、布线、焊锡、密封树脂等周边构件的耐热温度最高也不过200～250℃程度。因此，功率元件的工作温度也必须要控制在这一水平之下。
　　另外，关于难以制造p型半导体这一点，使用β-Ga2O3来制作功率元件时，可以将其用作N型半导体，因此也不是什么问题。而且，通过掺杂Sn及Si等施主杂质，可在电子浓度为1016～1019cm-3的大范围内对N型传导特性进行控制（图2）。