功率半導(dǎo)體的革命：SiC與GaN的共舞（二）
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注1） 此次的部分開發(fā)是通過NEDO的委托業(yè)務(wù)“節(jié)能革新技術(shù)開發(fā)業(yè)務(wù)——挑戰(zhàn)研究‘超高耐壓氧化鎵功率元件的研發(fā)’”實(shí)施的。基板制造由田村制作所與光波公司負(fù)責(zé)，外延層形成由京都大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)及田村制作所負(fù)責(zé)，工藝由NICT負(fù)責(zé)。
盡管該晶體管采用不形成保護(hù)膜（鈍化膜）的簡單構(gòu)造，但耐壓卻高達(dá)257V，漏電流僅為5μA/mm?！氨緛硎潜е芄ぷ骶涂梢缘钠谕圃斓?，但結(jié)果卻好得超出了想象。這是只有氧化鎵才能實(shí)現(xiàn)的值”，NICT未來ICT研究所超高頻ICT研究室主任研究員東脅正高開心地表示。
比SiC或GaN耐壓高且損耗低的功率元件之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，是因?yàn)槠洳牧闲再|(zhì)參數(shù)比兩種材料都要出色（圖2（a））。其中，帶隙和絕緣破壞電場(chǎng)較大。
圖3 NICT等利用β型Ga2O3試制出了晶體管（a、b）。盡管構(gòu)造簡單，但耐壓高達(dá)257V（c）。（（a）的圖片來自于NICT等）
在Ga2O3中，化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定的是β型，其帶隙為4.8～4.9eV。該數(shù)值是硅的4倍以上，而且高于3.3eV的SiC和3.4eV的GaN。絕緣破壞電場(chǎng)為8MV/cm左右，相當(dāng)于硅的20倍以上、SiC或GaN的兩倍以上。
圖4 β型Ga2O3的帶隙及絕緣破壞電場(chǎng)特別大，低損耗性指標(biāo)“Baliga性能指數(shù)”較高（a）。因此，制造相同耐壓的功率元件時(shí)，β型Ga2O3與GaN或SiC相比，導(dǎo)通電阻會(huì)變小（b）。
因此，從理論上來說，制造相同耐壓的單極性功率元件時(shí)，β型Ga2O3與SiC或GaN相比，可以減小導(dǎo)通電阻（圖2（b））。而導(dǎo)通電阻的降低，有助于減少電源電路中的電力損耗。
耐壓上也有望超過SiC。比如，通過設(shè)置形成保護(hù)膜來減輕電場(chǎng)向柵極集中的“場(chǎng)板”的單極晶體管，“估計(jì)可達(dá)到3k～4kV”（NICT的東脅）。
而單極元件——SiC制MOSFET的耐壓一般為1kV左右，提高了耐壓的雙極元件“應(yīng)該也很難達(dá)到3kV以上”（東脅）。
β-Ga2O3還有一個(gè)特點(diǎn)，就是在制作基板時(shí)可采用“FZ（floating zone，懸浮區(qū)熔法）”及“EFG（edge-defined film-fed growth，導(dǎo)模法）”等溶液生長法，這兩種生長法能夠以低成本量產(chǎn)結(jié)晶缺陷少且口徑大的基板。
FZ法及EFG法已被實(shí)際用于藍(lán)寶石基板的制造。藍(lán)寶石基板是制作藍(lán)色LED芯片的基板，特點(diǎn)是價(jià)格便宜，結(jié)晶缺陷少，而且大尺寸產(chǎn)品的口徑可達(dá)到6～8英寸。而SiC基板及GaN基板一般采用氣相法制造，所以減少結(jié)晶缺陷以及擴(kuò)大口徑都較為困難。
此次試制的晶體管使用的Ga2O3基板就是采用FZ法制成的，但外形尺寸還很小，只有6mm×4mm注1）?！皩碇圃炜趶綖?英寸的Ga2O3基板時(shí)，估計(jì)成本可降至1萬日元左右。SiC基板是無法做到如此便宜的”（NICT的東脅）。
注1）此外，還有采用EFG法制成的2英寸見方基板。
此外，Ga2O3基板能夠以低于SiC或GaN的溫度在基板上形成外延層，所以有助于降低制造時(shí)的耗電量并削減設(shè)備成本。如果采用名為“Mist CVD法”的方法，生長溫度還不到500℃注2）。而GaN或SiC一般需要1000℃以上的溫度。
評(píng)論