27日,，從中國電子科技集團(tuán)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(zhǎng)技術(shù)探索,，通過改進(jìn)熱場(chǎng)結(jié)構(gòu),、優(yōu)化生長(zhǎng)氣氛和晶體生長(zhǎng)工藝，有效解決了晶體生長(zhǎng)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(cè)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(diǎn),、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(zhǎng)度達(dá)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(cè)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(shì)

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(chǎng)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(jìn)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(duì)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(duì)龐大的冷卻系統(tǒng)的需求。

日本的相關(guān)機(jī)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(jī)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(chǎng)效應(yīng)晶體管）,。盡管是未形成保護(hù)膜（鈍化膜）的非常簡(jiǎn)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(shí),，要想實(shí)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(shí),，與Ga2O3的結(jié)晶生長(zhǎng)及物性相關(guān)的研究報(bào)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(chǎng)強(qiáng)度很大,，具體如下圖所示,。β-Ga2O3的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)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(shì)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(duì)來說，這些缺點(diǎn)對(duì)功率器件的特性不會(huì)有太大的影響,，這是因?yàn)楣β势骷男阅苤饕Q于擊穿電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(shí)，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(shí)的電力損耗,。使用β-Ga2O3的功率器件，不僅能減少導(dǎo)通時(shí)的電力損耗,，還可降低開關(guān)時(shí)的損耗,，因?yàn)樵谀蛪?kV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(hù)膜來減輕電場(chǎng)向柵極集中的單極晶體管（MOSFET），其耐壓可達(dá)到3k～4kV,。而使用硅的話,，在耐壓為1kV時(shí)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(shí)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(shí),，溝道內(nèi)的載流子的產(chǎn)生和消失會(huì)耗費(fèi)時(shí)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(shí)際應(yīng)用中的工作溫度一般不會(huì)超過250℃,，因此，實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中不會(huì)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,。