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。
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。