27日,從中國電子科技集團有限公司獲悉,,近日,,中國電科46所經(jīng)過多年氧化鎵晶體生長技術(shù)探索,,通過改進熱場結(jié)構(gòu)、優(yōu)化生長氣氛和晶體生長工藝,,有效解決了晶體生長過程中原料分解,、多晶形成、晶體開裂等問題,,采用導(dǎo)模法成功制備出高質(zhì)量的4英寸氧化鎵單晶,。
據(jù)介紹,氧化鎵是一種新型超寬禁帶半導(dǎo)體材料,,適用于制造高電流密度的功率器件,、紫外探測器、發(fā)光二極管等,。但由于氧化鎵屬于單斜晶系,具有高熔點,、高溫分解以及易開裂的特性,,因此,大尺寸氧化鎵單晶制備極為困難,。
中國電科46所制備的氧化鎵單晶的寬度接近100mm,,總長度達到250mm,可加工出4英寸晶圓,、3英寸晶圓和2英寸晶圓,。經(jīng)測試,晶體具有很好的結(jié)晶質(zhì)量,,將為國內(nèi)相關(guān)器件的研制提供有力支撐,。
氧化鎵的優(yōu)勢
氧化鎵是一種寬禁帶半導(dǎo)體,禁帶寬度Eg=4.9eV,,其導(dǎo)電性能和發(fā)光特性良好,,因此,其在光電子器件方面有廣闊的應(yīng)用前景,,被用作于Ga基半導(dǎo)體材料的絕緣層,,以及紫外線濾光片。這些是氧化鎵的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域,,而其在未來的功率,、特別是大功率應(yīng)用場景才是更值得期待的。
雖然氧化鎵的導(dǎo)熱性能較差,,但其禁帶寬度(4.9eV)超過碳化硅(約3.4eV),,氮化鎵(約3.3eV)和硅(1.1eV)的。由于禁帶寬度可衡量使電子進入導(dǎo)通狀態(tài)所需的能量,。采用寬禁帶材料制成的系統(tǒng)可以比由禁帶較窄材料組成的系統(tǒng)更薄,、更輕,,并且能應(yīng)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(tǒng)的需求,。
日本的相關(guān)機構(gòu)在氧化鎵功率器件研究方面一直處于業(yè)界領(lǐng)先水平,。早些年,日本信息通信研究機構(gòu)(NICT)等研究小組使用Ga2O3試制了“MESFET”(metal-semiconductorfield effect transistor,,金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管),。盡管是未形成保護膜(鈍化膜)的非常簡單的構(gòu)造,但試制品顯示出了耐壓高,、漏電流小的特性,。而使用SiC及GaN來制造相同構(gòu)造的元件時,要想實現(xiàn)像試制品這樣的特性,,則是非常難的,。
2012年,Ga2O3的結(jié)晶形態(tài)確認(rèn)有α,、β,、γ、δ,、ε五種,,其中,β結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定,,當(dāng)時,,與Ga2O3的結(jié)晶生長及物性相關(guān)的研究報告大部分都使用β結(jié)構(gòu)。
例如,,單結(jié)晶構(gòu)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的擊穿電場強度約為8MV/cm,,是Si的20多倍,相當(dāng)于SiC及GaN的2倍以上,。
由圖可以看出,,β-Ga2O3的主要優(yōu)勢在于禁帶寬度,但也存在著不足,,主要表現(xiàn)在遷移率和導(dǎo)熱率低,,特別是導(dǎo)熱性能是其主要短板。不過,,相對來說,,這些缺點對功率器件的特性不會有太大的影響,,這是因為功率器件的性能主要取決于擊穿電場強度。就β-Ga2O3而言,,作為低損失性指標(biāo)的“巴利加優(yōu)值(Baliga’s figure of merit)”與擊穿電場強度的3次方成正比,、與遷移率的1次方成正比。因此,,巴利加優(yōu)值較大,,是SiC的10倍、GaN的4倍,。
由于β-Ga2O3的巴利加優(yōu)值較高,,因此,在制造相同耐壓的單極功率器件時,,元件的導(dǎo)通電阻比采用SiC或GaN的低很多,。降低導(dǎo)通電阻有利于減少電源電路在導(dǎo)通時的電力損耗。使用β-Ga2O3的功率器件,,不僅能減少導(dǎo)通時的電力損耗,,還可降低開關(guān)時的損耗,因為在耐壓1kV以上的高耐壓應(yīng)用方面,,可以使用單極元件,。
比如,,設(shè)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。而使用硅的話,,在耐壓為1kV時就必須使用雙極元件,,即便使用耐壓較高的SiC,在耐壓為4kV時也必須使用雙極元件,。雙極元件以電子和空穴為載流子,,因此與只以電子為載流子的單極元件相比,在導(dǎo)通和截止的開關(guān)操作時,,溝道內(nèi)的載流子的產(chǎn)生和消失會耗費時間,,損失容易變大。
在導(dǎo)熱率方面,,如果導(dǎo)熱率低,,功率器件很難在高溫下工作。不過,,實際應(yīng)用中的工作溫度一般不會超過250℃,,因此,實際應(yīng)用當(dāng)中不會在這方面出現(xiàn)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。