氮化镓功率半导体器件_氧化镓-新一代功率器件半导体材料

在过去的十年中，氧化镓的技术发展迅速，将其推向了半导体技术的前沿。主要目标应用领域是电力电子，其中氧化镓的固有材料特性(高临界场强、宽可调电导率、低迁移率和基于熔体的体积增长)有望以低成本提供所需的高性能。

为了最大限度地发挥新半导体技术的潜力，业界必须与齐新合作，解决阻碍性能的技术障碍。2016年以来，超宽带隙半导体领域取得重大技术进展。当时京都大学专门从事氧化镓薄膜研发和商业化的衍生公司Flosfia得出结论：氧化镓值得开发。

半导体工业越来越多地转向由宽带隙材料如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)制成的器件。由于其成本高，开发电力电子元件新材料的研究提出了一种超宽带隙材料，称为-Ga2O3。与以往基于结的设计方法相比，这种材料更注重材料研究，以提高电力电子器件的整体性能。-GA2O3因其独特的固有特性脱颖而出，如5eV的超高带隙、良好的导电性和磁场保持性、历史上最高的5.5MV/m的高临界场强等。

图1:截至2021年10月各行业-Ga2O3商业化技术进展的顶层视图。

用不同的方法加工材料可以产生各种特性，证明其灵活性。例如，从熔体中掺杂材料会导致电阻率为10mcm，硅注入可以进一步将其降低到1mcm。材料上的卤素气相外延可以控制在1015 ~ 1019cm-3的掺杂浓度范围内。在材料上制造标准特征也相对容易。例如，欧姆和肖特基接触可以在相对低的退火温度下由诸如钛、铝和镍的标准金属制成。使用标准生产工具可以完成材料的切片和研磨。不同的电介质材料，例如AL2O3，可以通过原子层沉积用作栅极电介质。

氧化镓的性质

-Ga2O3相对较低的迁移率使其表现出比SiC和GaN更好的性能。从熔体中生长的材料的特性使得以比块状氮化镓、碳化硅和金刚石更低的成本制造高质量晶体成为可能。-Ga2O3晶体管的品质因数比4H-SiC好约3倍，比GaN好20%。与现有的宽带隙材料相比，这些优点使-Ga2O3成为一种可行的、低成本的高性能替代材料。然而，存在阻碍其大规模商业化的挑战。

就材料性能而言，-Ga2O3具有非常低的热导率，这阻碍了有效的热传递，而热传递是电力电子器件的关键方面。薄芯片的实现将是提高-Ga2O3热导率的努力的一个组成部分，这将补充为这些器件开发更好的散热技术的努力。该材料具有平坦的价带，导致可以忽略的空穴传输，这意味着缺乏P型。这可以防止形成任何雪崩pn结，这对于部署在高噪声电源区域的器件或需要快速接管大电感负载的应用(如UPS)来说是一个问题。器件的额定值和可靠性受到芯片边缘电场的影响，即管理不善会导致性能和可靠性的下降，而P型的缺失可能会使问题恶化。P型的缺乏也限制了增强型晶体管的设计。正在研究各种芯片端接方法，例如凹槽端接和使用P型氧化物的端接。然而，目前缓解这一问题的解决方案涉及严格的工艺控制，这使人对其可行性产生怀疑。

图2:典型的半导体晶片

减小晶圆尺寸也是一个问题，因为更大的晶圆尺寸有助于降低制造工艺成本，提高晶体质量，降低缺陷率。目前制造-Ga2O3器件的最大晶圆尺寸是100mm，而行业标准是150mm。越来越多的公司向20mm发展。-GA2O3的制造也必须朝着这些晶片尺寸发展，以便可以利用现有的先进制造基础设施。此外，没有关于-Ga2O3制成的器件的可靠性的数据，这方面的任何研究都处于初级阶段。

还有一些经济因素需要解决，例如在-Ga2O3的大规模生产中，昂贵的稀有金属坩埚(在边缘膜进料生长(EFG)和直拉法(CZ)、铱等制造方法的情况下)晶体的一些部件的损失。根据其它半导体材料的最新技术的要求增加衬底的尺寸通常会使问题恶化并加速这些坩埚的失效。据报道，中国的研究人员已经开发出一种方法，可以帮助缓解这种情况，并进一步将制造过程的成本降低约10倍。这项技术的大规模实施还有待观察。适合垂直-Ga2O3外延层生长的设备需要机器上没有的最先进的技术。

许多兴趣和研究致力于由-Ga2O3制成的器件的设计、开发和商业化。这种兴趣是基板制造技术令人印象深刻的增长的原因，因为公司正在走向商业化。虽然已经演示了许多器件，但是由于前述的挑战，许多优化没有完成，这阻碍了器件的大规模生产。材料的可获得性将对加速器件的发展起到重要作用，因为材料的可获得性是引入器件的先决条件。-GA2O3技术在其成熟过程中已经达到了一个激动人心的时刻，材料很容易获得，阻碍其在设备中使用的挑战是众所周知的，并有据可查。剩下的就是齐心协力扎根，成功研发出经济可行的大规模制造技术，制造出可靠性高、充分利用材料优势的器件。

审核编辑：李倩