深圳第三代半導體研究院

要挑戰SiC和GaN的功率半導體氧化镓是何方神聖?

发表时间:2019-05-28 19:29

目前,以碳化矽(SiC)和氮化镓(GaN)爲代表的第三代化合物半導體受到的關注度越來越高,它們在未來的大功率、高溫、高壓應用場合將發揮傳統的矽器件無法實現的作用。特別是在未來三大新興應用領域(汽車、5G和物聯網)之一的汽車方面,會有非常廣闊的發展前景。

然而,SiC和GaN並不是終點,最近,氧化镓(Ga2O3)再一次走入了人們的視野,憑借其比SiC和GaN更寬的禁帶,該種化合物半導體在更高功率的應用方面具有獨特優勢。因此,近幾年關于氧化镓的研究又熱了起來。

氧化镓.jpg

實際上,氧化镓並不是很新的技術,多年前就有公司和研究機構對其在功率半導體領域的應用進行鑽研,但就實際應用場景來看,過去不如SiC和GaN的應用面廣,所以相關研發工作的風頭都被後二者搶去了。而隨著應用需求的發展愈加明朗,未來對高功率器件的性能要求越來越高,這使得人們更深切地看到了氧化镓的優勢和前景,相應的研發工作又多了起來,已成爲美國、日本、德國等國家的研究熱點和競爭重點。而我國在這方面還是比較欠缺的。

氧化镓的優勢

氧化镓是一種寬禁帶半導體,禁帶寬度Eg=4.9eV,其導電性能和發光特性良好,因此,其在光電子器件方面有廣闊的應用前景,被用作于Ga基半導體材料的絕緣層,以及紫外線濾光片。這些是氧化镓的傳統應用領域,而其在未來的功率、特別是大功率應用場景才是更值得期待的。

雖然氧化镓的導熱性能較差,但其禁帶寬度(4.9eV)超過碳化矽(約3.4eV),氮化镓(約3.3eV)和矽(1.1eV)的。由于禁帶寬度可衡量使電子進入導通狀態所需的能量。采用寬禁帶材料制成的系統可以比由禁帶較窄材料組成的系統更薄、更輕,並且能應對更高的功率,有望以低成本制造出高耐壓且低損失的功率元件。此外,寬禁帶允許在更高的溫度下操作,從而減少對龐大的冷卻系統的需求。

日本的相关机构在氧化镓功率器件研究方面一直处于业界领先水平。早些年,日本信息通信研究机构(NICT)等研究小组使用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、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。

2012年,Ga2O3的結晶形態確認有α、β、γ、δ、ε五種,其中,β結構最穩定,當時,與Ga2O3的結晶生長及物性相關的研究報告大部分都使用β結構。

例如,單結晶構造的β-Ga2O3由于具有較寬的禁帶,使其擊穿電場強度很大,具體如下圖所示。β-Ga2O3的擊穿電場強度約爲8MV/cm,是Si的20多倍,相當于SiC及GaN的2倍以上。

由图可以看出,β-Ga2O3的主要优势在于禁带宽度,但也存在着不足,主要表现在迁移率和导热率低,特别是导热性能是其主要短板。不过,相对来说,这些缺点对功率器件的特性不会有太大的影响,这是因为功率器件的性能主要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,巴利加优值较大,是SiC的10倍、GaN的4倍。

由于β-Ga2O3的巴利加優值較高,因此,在制造相同耐壓的單極功率器件時,元件的導通電阻比采用SiC或GaN的低很多。降低導通電阻有利于減少電源電路在導通時的電力損耗。使用β-Ga2O3的功率器件,不僅能減少導通時的電力損耗,還可降低開關時的損耗,因爲在耐壓1kV以上的高耐壓應用方面,可以使用單極元件。

比如,設有利用保護膜來減輕電場向柵極集中的單極晶體管(MOSFET),其耐壓可達到3k~4kV。而使用矽的話,在耐壓爲1kV時就必須使用雙極元件,即便使用耐壓較高的SiC,在耐壓爲4kV時也必須使用雙極元件。雙極元件以電子和空穴爲載流子,因此與只以電子爲載流子的單極元件相比,在導通和截止的開關操作時,溝道內的載流子的産生和消失會耗費時間,損失容易變大。

在導熱率方面,如果導熱率低,功率器件很難在高溫下工作。不過,實際應用中的工作溫度一般不會超過250℃,因此,實際應用當中不會在這方面出現大的問題。而且封裝有功率器件的模塊和電源電路使用的封裝材料、布線、焊錫、密封樹脂等的耐熱溫度最高也不過250℃,因此,功率器件的工作溫度也要控制在這一水平之下。

研究進展

高質量β-Ga2O3晶體

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、高質量β-Ga2O3晶體的获得。

2017年8月,我國同濟大學物理科學與工程學院唐慧麗副教授、徐軍教授團隊采用自主知識産權的導模法技術,成功制備出2英寸高質量β-Ga2O3單晶。獲得的高質量β-Ga2O3單晶,X射線雙晶搖擺曲線半高寬27″,位錯密度3.2×104cm-2,表面粗糙度<5A,該項研究成果將有力推動我國氧化镓基電力電子器件和探測器件的發展。

α-Ga2O3

2018年初,電裝與FLOSFIA公司決定共同開發面向車載應用的新一代氧化镓功率半導體材料——α-Ga2O3。

α-Ga2O3是京都大學藤田靜雄教授全球首次開發成功的單結晶合成材料,可用于電動車的轉換器,能實現低功耗、低成本、小型輕量化。

FLOSFIA是于2011年由京都大学发起成立的一家合资公司。致力于α-Ga2O3功率半导体研发。2015年发表了世界最小的导通电阻0.1mΩcm2 SBD(Schottky Barrier Diode)试制数据,2016年成功研制了新型P型半导体α-Ir2O3。

氧化镓MOSFET

今年早些时候,布法罗大学(UB)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。

研究人員表示,該晶體管的擊穿電壓爲1850V,比氧化镓半導體的記錄增加了一倍多。擊穿電壓是將材料(在這種情況下爲氧化镓)從絕緣體轉換爲導體所需的電量。擊穿電壓越高,器件可以處理的功率越高。

Singisetti表示,由于晶體管的尺寸相對較大,因此不適合智能手機和其他小型設備。但它可能有助于調節大規模運營中的能量流,例如收獲太陽能和風能的發電廠,以及電動汽車、火車和飛機等。

但是,該研究還需要深入下去,以解決其導熱性差的缺點。

縱向Ga2O3功率器件

近期,日本情报通信研究机构(NICT)与东京农工大学(TUAT)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,縱向幾何結構能以更高的電流驅動,不必增加芯片尺寸,從而簡化了熱管理。縱向晶體管開關的特性,是通過向半導體中引入兩種雜質(摻雜劑)來設計的。開關“打開”時,N型摻雜,提供移動的載流子(電子),用于攜帶電流;開關“關閉”時,P型摻雜,會啓動電壓阻斷。

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。

據悉,縱向功率器件可以實現超過100A的電流和超過1kV的電壓,這樣的結合是許多應用所要求的,特別是電力工業和汽車電力系統所需要的。

熱管理方法研究

近期,美国佛罗里达大学、美国海军研究实验室和韩国大学的研究人员也在研究氧化镓MOSFET。佛罗里达大学材料科学与工程教授Stephen Pearton表示,它们正在研究氧化镓作为MOSFET的发展潜力。传统上,这些微型电子开关由硅制成,用于笔记本电脑、智能手机和其他电子产品。对于像电动汽车充电站这样的系统,我们需要能够在比硅基器件更高的功率水平下工作的MOSFET,而氧化镓可能就是解决方案。为了实现这些先进的MOSFET,该团队确定了需要改进栅极电介质,以及更有效地从器件中释放热量的热管理方法。

結語

氧化镓是一種新興的功率半導體材料,其禁帶寬度大于矽,氮化镓和碳化矽,在高功率應用領域的應用優勢愈加明顯。但氧化镓不會取代SiC和GaN,後兩者是矽之後的下一代主要半導體材料。

氧化镓更有可能在擴展超寬禁帶系統可用的功率和電壓範圍方面發揮作用。而最有希望的應用可能是電力調節和配電系統中的高壓整流器,如電動汽車和光伏太陽能系統。

但是,在成爲電力電子産品的主要競爭者之前,氧化镓仍需要開展更多的研發和推進工作,以克服自身的不足。

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