功率半导体氧化镓到底是什么？

发布日期:2020/2/4 10:31:44

目前，以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代化合物半导体受到的关注度越来越高，它们在未来的大功率、高温、高压应用场合将发挥传统的硅器件无法实现的作用。特别是在未来三大新兴应用领域(汽车、5G和物联网)之一的汽车方面，会有非常广阔的发展前景。

然而，SiC和GaN并不是终点，最近，氧化镓(Ga2O3)再一次走入了人们的视野，凭借其比SiC和GaN更宽的禁带，该种化合物半导体在更高功率的应用方面具有独特优势。因此，近几年关于氧化镓的研究又热了起来。

实际上，氧化镓并不是很新的技术，多年前就有公司和研究机构对其在功率半导体领域的应用进行钻研，但就实际应用场景来看，过去不如SiC和GaN的应用面广，所以相关研发工作的风头都被后二者抢去了。而随着应用需求的发展愈加明朗，未来对高功率器件的性能要求越来越高，这使得人们更深切地看到了氧化镓的优势和前景，相应的研发工作又多了起来，已成为美国、日本、德国等国家的研究热点和竞争重点。而我国在这方面还是比较欠缺的。

高质量β-Ga2O3晶体

一直以来，中国在β-Ga2O3晶体材料和器件方面的研究相对落后，尤其是功率器件的研究很少，关键原因是受限于大尺寸、高质量β-Ga2O3晶体的获得。

2017年8月，我国同济大学物理科学与工程学院唐慧丽副教授、徐军教授团队采用自主知识产权的导模法技术，成功制备出2英寸高质量β-Ga2O3单晶。获得的高质量β-Ga2O3单晶，X射线双晶摇摆曲线半高宽27″，位错密度3.2×104cm-2，表面粗糙度<5A，该项研究成果将有力推动我国氧化镓基电力电子器件和探测器件的发展。

α-Ga2O3

α-Ga2O3是京都大学藤田静雄教授全球首次开发成功的单结晶合成材料，可用于电动车的转换器，能实现低功耗、低成本、小型轻量化。

氧化镓MOSFET

今年早些时候，布法罗大学工程与应用科学学院电气工程副教授Uttam Singisetti博士和他的学生制造了一个厚度为5微米、由氧化镓制成的MOSFET。

研究人员表示，该晶体管的击穿电压为1,850 V，比氧化镓半导体的记录增加了一倍多。击穿电压是将材料从绝缘体转换为导体所需的电量。击穿电压越高，器件可以处理的功率越高。

由于晶体管的尺寸相对较大，因此不适合智能手机和其他小型设备。但它可能有助于调节大规模运营中的能量流，例如收获太阳能和风能的发电厂，以及电动汽车、火车和飞机等。但是，该研究还需要深入下去，以解决其导热性差的缺点。

纵向Ga2O3功率器件

近期，日本情报通信研究机构与东京农工大学演示了一种“纵向的”氧化镓MOSFET，它采用“全离子注入(all-ion-implanted)”工艺进行N型与P型掺杂，为低成本、高可制造性的Ga2O3功率电子器件铺路。

过去几年来，Ga2O3晶体管的开发集中于研究横向几何结构。然而，由于器件面积较大、发热带来的可靠性问题、表面不稳定性，横向器件不容易经受住许多应用所需的高电流与高电压的考验。

相比而言，纵向几何结构能以更高的电流驱动，不必增加芯片尺寸，从而简化了热管理。纵向晶体管开关的特性，是通过向半导体中引入两种杂质(掺杂剂)来设计的。开关“打开”时，N型掺杂，提供移动的载流子(电子)，用于携带电流;开关“关闭”时，P型掺杂，会启动电压阻断。

Masataka Higashiwaki领导的NICT科研小组率先在Ga2O3器件中使用硅作为N型掺杂剂，但是科学界长期以来一直在为找到一种合适的P型掺杂剂而努力。今年早些时候，同一科研小组，公布了用氮(N)作为P型掺杂剂的可行性。他们最新的成果包括首次通过高能量掺杂剂引入工艺，即所谓的“离子注入”，整合硅与氮掺杂，设计出一个Ga2O3晶体管。

据悉，纵向功率器件可以实现超过100A的电流和超过1kV的电压，这样的结合是许多应用所要求的，特别是电力工业和汽车电力系统所需要的。