技术讲座：用氧化镓能制造出比SiC性价比更高的功率元件 - 全文

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）。

　　

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　　图2：N型传导特性的控制范围大

　　使用β-Ga2O3时，可在大范围内控制N型传导性。实际上，通过掺杂施主杂质，可在1016～1019cm-3范围内调整电子密度。

　　导通电阻仅为SiC的1/10
　　β-Ga2O3由于巴利加优值较高，因此理论上来说，在制造相同耐压的单极功率元件时，元件的导通电阻比采用SiC及GaN低很多（图3）。降低导通电阻有利于减少电源电路在导通时的电力损失。

　　

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　　图3：导通电阻比SiC及GaN小

　　在相同耐压下比较时，β-Ga2O3制造的单极元件，其导通电阻理论上可降至使用SiC时的1/10、使用GaN时的1/3。图中的直线与巴加利优值的倒数相等。直线位置越接近右下方，制成的功率元件性能就越出色。
　　使用β-Ga2O3的功率元件不仅能够降低导通时的损失，而且还可降低开关时的损失。因为从理论上说，在耐压1kV以上的高耐压用途方面，可以使用单极元件。
　　比如，设有利用保护膜来减轻电场向栅极集中的“场板”的单极晶体管（MOSFET），其耐压可达到3k～4kV。
　　而使用Si的话在耐压为1kV时就必须使用双极元件，即便使用耐压公认较高的SiC，在耐压为4kV时也必须使用双极元件。双极元件以电子和空穴为载流子，因此与只以电子为载流子的单极元件相比，在导通及截止的开关动作时，沟道内的载流子的产生和消失会耗费时间，损失容易变大。
　　比如Si，在耐压1kV以上的用途方面通常是晶体管使用IGBT，二极管使用PIN二极管。
　　SiC的话，耐压4kV以下用途时晶体管可使用MOSFET等单极元件，二极管可使用肖特基势垒二极管（SBD）等单极元件。但在耐压4kV以上时导通电阻超过10mΩcm2，单极元件不具备实用性。因此必须使用双极元件。
　　基板成本也较低
　　采用β-Ga2O3制作基板时，可使用“FZ（floating zone）法”及“EFG（edge-definedfilm-fed growth）法”等溶液生长法，这也是其特点之一（图4）。溶液生长法容易制备结晶缺陷少、口径大的单结晶，因此能够以低成本轻松量产基板。实际上是利用FZ法或EFG法制备单结晶，然后将结晶切成薄片，以此来制造基板。

　　

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　　图4：可利用溶液生长法

　　β-Ga2O3可利用FZ法及EFG法等溶液生长法（a）。已试制完成口径为2英寸的基板（b）。

　　用于制造蓝色LED芯片的蓝宝石基板就是利用EFG法制造的。蓝宝石基板不仅便宜而且结晶缺陷少，而且口径较大，达到6～8英寸。而SiC基板的基础即单结晶则需利用“升华法”制造，GaN基板的基础即单结晶需利用“HVPE（hydridevapor phase epitaxy）法”等气相法制造，因此在减少结晶缺陷和大口径化方面有很大难度。
　　日本信息通信研究机构等的研究小组试制出的晶体管所使用的β-Ga2O3基板是利用FZ法制成的。外形尺寸也很小，只有6mm×4mm。
　　但只要导入与蓝宝石基板相同的大型制造设备，就有望利用EFG法实现6英寸口径。估计将来能够以1万日元以下的成本实现1块口径6英寸的β-Ga2O3基板。
　　制造时的耗电量也很小
　　β-Ga2O3不仅可降低基板成本，而且还可降低制造时的耗电量及设备成本。比如，据计算，采用EFG法时，制造基板的单位面积耗电量只有升华法的约1/3。
　　制造时耗电量小的原因在于生长速度快，以及结晶生长时温度略低等。β-Ga2O3结晶的生长速度达到SiC的10倍以上。此外，升华法必须在2000℃以上的高温下使结晶生长，而且EFG法只需要1725℃。
　　不仅是基板制造，在基板上形成的处延层也能够以低于SiC及GaN的低温来形成。SiC及GaN的话一般要在1000℃以上的高温下使处延层生长。而β-Ga2O3基板在采用名为“mist CVD法”外延层生长方法时，生长温度可降至不到500℃。由于可降低基板制造和外延层生长时的温度，因此不仅是功率元件本身，连元件制造时的耗电量也可减少。
　　另外，由于不需要像SiC及GaN那样的耐热性高的制造设备，因此还有助于降低设备成本。
　　采用适合用来验证的简单构造
　　为了挖掘β-Ga2O3的这些出色潜能，我们开始对该材料进行研发。第一项成果就是上篇文章中提到的MESFET。尽管是未形成保护膜的非常简单的构造，但耐压却高达257V，且泄漏电流只有5μA/mm（图5）。

　　

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　　图5：使用β-Ga2O3试制晶体管

　　试制的β-Ga2O3的MESFET采用圆形电极图案（a）。虽然构造简单，但耐压却高达257V（b、c）

　　MESFET在多种FET中构造最简单、最容易制造，适合用来验证工作性能。
　　此次使用了通过掺杂Mg实施半绝缘化处理的单结晶β-Ga2O3基板。基板尺寸为6mm×4mm。晶面方向利用可将外延生长速度比其他面方向最大提10倍左右的（010）面。
　　在该基板上利用分子束外延（MBE）法形成作为沟道层的n型Ga2O3层。厚度为300nm，为制成n型掺杂了Sn。
　　进行二次离子质谱分析（SIMS）后表明，n型Ga2O3层的Sn浓度达到7×1017cm-3。
　　采用圆形电极
　　β-Ga2O3的绝缘技术还在开发之中，因此此次采用了圆形电极图案。采用该图案时，只会在内侧的源极及与外侧的漏极两电极间产生电场。这时，电流在两电极间完全断开，因此漏极电流不会泄漏到图案外部，无需绝缘。在源区、漏区及栅区的电极中，先形成了源区和漏区的欧姆电极。具体做法是：首先利用光刻技术形成图案；然后利用BCl3/Ar混合气体对相当于光刻后窗口部分的n型Ga2O3薄膜实施“反应性离子蚀刻（RIE）处理；最后，在RIE部分蒸镀Ti（20nm）/Au（230nm），并通过剥离它们来制作源极和漏极。
　　进行RIE处理后，源区与漏区的Ti/Au电极间的电阻值会大幅减小，电流可轻松流过。这是因为，RIE处理使电极间的接触从肖特基接触变为欧姆接触（图6）。

　　

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　　图6：通过RIE处理使电流轻松流过

　　通过实施RIE处理，可使电流轻松流过。原因是电极接触特性由肖特基接触变为欧姆接触，电极接触部的电阻值变小。

　　形成源极和漏极后，再次利用光刻技术形成图案，这次不进行RIE处理，而是直接在相当于窗口部分的n型Ga2O3薄膜上蒸镀Pt（15nm）/Ti（5 nm）/Au（250nm）。之后在进行剥离，制成肖特基结的栅极电极。此次试制品的目的只是为了验证工作情况，因此未在元件表面形成保护膜。试制品的栅极长度为4μm，源漏间距为20μm。漏极尺寸为直径200μm。另外，此次试制的晶体管在源极与漏极之间配置有测定时接触探针的栅极焊盘电极部分，因此无法明确定义栅极宽度。不过，以漏极的外周长度作为栅极宽度的话约为600μm。
　　实际耐压超过250V
　　试制品在施加＋2V栅极电压时，最大漏极电流为16mA，漏极电压为40V时，最大跨导为1.4mS（图7）。夹断状态下的漏极电流为3μA，漏极电流的导通/截止比为104左右。在施加栅极电压，并使漏极电流截止的状态下，相当于可施加的最大漏极电压的“三端子截止泄漏耐压”约为250V。

　　

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　　图7：试制品的各种电气特性

　　试制品在施加+2V栅极电压时的最大漏极电流为16mA（a）。耐压为257V。夹断状态下的漏极泄漏电流仅为3μA（b）。漏极电压为40V时，最大跨导为1.4mS。

　　此次试制品的所有特性均未达到产品化水平。不过，作为研发初期阶段的非常简单的晶体管来说，已经很出色了。与GaN类MESFET研发的初期阶段（1990年代前半期）相比，也已经实现了同等或以上的成果。此次获得的良好特性源于Ga2O3作为半导体材料的巨大潜力，以及外延层的材料与基板相同（即同型）。
　　其实，实际耐压比250V还要高。该电压是电极金属随着电极间短路而烧焦后的数值。因此，实际能使Ga2O3发生击穿的电压更高。至少可耐压1kV以上。
　　另外，泄漏电流还有望进一步降低，这样就能够提高电流的导通/截止比。此次的泄漏电流并非流过Ga2O3基板内部的电流，而是主要在n型Ga2O3的表面传导的电流。因此，在元件表面形成保护膜的话，便可降低泄漏电流。有望实现达到实用水平的106～107左右。
　　另外，输出电流也可进一步提高，还可常闭工作，很多特性都可达到实用化要求。
　　目标是制造MOSFET
　　使用β-Ga2O3的功率元件的研发现在才刚刚开始。虽然还存在众多课题，如4英寸以上大尺寸基板的制造技术、包括掺杂在内的外延生长技术，以及功率元件的工艺技术等，但目前已看到了解决的希望。
　　要想实现实用化，首先要试制出能够常闭型工作的晶体管。因此，我们开始致力于实际MOSFET产品的制造。
　　制造MOSFET产品时，栅极绝缘膜使用带隙非常大的Al2O3、SiO2等氧化物。由于同为氧化物的缘故，这些氧化物绝缘膜与Ga2O3的界面有望实现低缺陷密度（界面状密度）。我们将力争在2015年之前制造出口径4英寸的基板和MOSFET，并在2020年之前开始作为功率元件开始小规模量产。
　　β-Ga2O3用于高功率LED
　　β-Ga2O3不仅可用于功率元件，而且还可用于LED芯片、各种传感器元件及摄像元件等，应用范围很广。其中，使用GaN类半导体的LED芯片基板是最被看好的用途。尤其值得一提的是，β-Ga2O3具备适合需要大驱动电流的高功率LED的特性。
　　GaN基LED芯片广泛用于蓝色、紫色及紫外等光线波长较短的LED。其中，蓝色LED芯片是作为白色LED的重要基础部件。GaN基蓝色LED芯片现在是在蓝宝石基板上制造。
　　β-Ga2O3基板与蓝宝石基板相比，紫外光及可见光的透射率同为80％，此外其电阻率为0.005Ωcm左右，具有良好的导电性。
　　透射率越高，就越容易将LED芯片发光层发出的光提取到外部，有望提高光输出功率及发光效率。而且，由于导电性高，因此还可采用在LED芯片表面和背面分别形成阳极和阴极的垂直结构。而蓝宝石基板具有绝缘性，因此采用横向配置阳极和阴极的横向结构。
　　垂直结构与横向结构相比，不仅可以降低元件电阻及热阻，而且还可使电流分布均匀化。由于元件电阻及热阻越小，LED芯片的发热量就越少，因此适合驱动电流较大的情况。
　　垂直结构容易使电流分布均匀化，因此即使流过大电流，LED芯片也不易损坏。此外，电流均匀流过LED芯片，还可减轻发光不均现象。因此，与采用横向结构的普通的蓝宝石基板产品相比，β-Ga2O3基板单位面积的光输出功率估计可达到10倍以上。
　　SiC基板也可实现垂直结构，但其成本较高。而采用β-Ga2O3的话，则有望以更低成本来制造基板。
　　SiC基板在元件特性方面也存在问题。SiC基板的蓝色光吸收特性与电阻呈此消彼长的关系。抑制蓝色光的吸收，电阻就会变大。所以元件电阻的降低就会存在极限。
　　光输出功率为市售产品的5倍
　　虽然使用β-Ga2O3基板的GaN基LED芯片目前正在开发之中，但已经获得了一定成果。比如，日本信息通信研究机构（NICT）的研究小组试制出了发光波长为450nm的300μm见方的LED元件。该元件在n型Ga2O3基板上，利用MOCVD法，经由缓冲层层叠了n型GaN层、InGaN/GaN的多重量子阱构造的活性层，以及p型GaN层（图A-1）。在基板侧形成了Ti/Au的n型电极，在另一侧形成了Ag类的p型电极。

　　

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　　图A-1：在n型Ga2O3基板上制造的GaN基LED芯片

　　在n型Ga2O3基板上经由缓冲层层叠GaN类半导体，由此制造LED芯片。本图是将p层朝下实施封装的示例。

　　该试制品在驱动电流为1200mA时的光输出功率为170mW（图A-2）。与市售的300μm见方横向结构蓝色LED芯片相比，可实现5倍以上的光输出功率。并且，通过改进发光层及光提取构造等，还有望将光输出功率再提高2倍。

　　

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　　图A-2：光输出功率高达170mW

　　试制品在驱动电流为1200mA时的光输出功率为170mW。将来通过改进发光层及光提取构造等，还有望将光输出功率再提高2倍。
　　此外，NICT的研究小组还试制出了元件电阻得以降低的使用β-Ga2O3基板LED芯片。芯片尺寸为300μm见方，驱动电流为200mA时工作电压仅为3.3V（图A-3）。该尺寸的横行结构市售产品在驱动电流为200mA时，工作电压高达4.7V。由于工作电压低，因此能够减少以大电流驱动时的发热量。

　　

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　　图A-3：工作电压低

　　芯片尺寸为300μm见方，驱动电流为200mA时工作电压仅为3.3V。
　　热阻降至1/10以下
　　另外，此次试制的LED芯片的热阻很低。通过将LED芯片的p层侧朝下实施封装，便可抑制热阻（图A-1）。使用AuSn作为固晶部分的接合金属，而且LED芯片尺寸为1mm见方时，据推算，活性层至接合金属的热阻合计在0.1℃/W以下，仅为同尺寸的横向结构市售产品的1/10～1/100。
　　而且试制的LED芯片的电流分布也很均匀。为了调查其电流分布情况，研究小组检测了1mm见方LED芯片内部的面内温度分布。结果显示，即使元件温度平均上升70℃，面内温度差最大也只有7℃。
　　如上所述，使用β-Ga2O3基板的LED芯片非常适合大电流用途。在将这种基板用于LED产品方面，NICT的研究小组正以2012年度内推出产品为目标，朝着实用化方向推进开发。

来源：电子工程网