用氧化镓能制造出比SiC性价比更高的功率元件(一)

　　与S iC 和GaN相比，β-Ga2O3有望以低成本制造出高耐压且低损失的 功率 半导体 元件 ，因而引起了极大关注。契机源于日本信息 通信 研究机构等的研究小组开发出的β-Ga2O3 晶体管 。下面请这些研究小组的技术人员，以论文形式介绍一下β-Ga2O3的特点、研发成果以及今后的发展。

　　我们一直在致力于利用氧化镓（Ga2O3）的功率半导体元件（以下简称功率元件）的研发。Ga2O3与作为新一代功率半导体材料推进开发的SiC和GaN相比，有望以低成本制造出高耐压且低损失的功率元件。其原因在于材料特性出色，比如带隙比SiC及GaN大，而且还可利用能够高品质且低成本制造单结晶的“溶液生长法”。

　　在我们瞄准的功率元件应用中，使用Ga2O3试制了“MESFET”（metal-s emi conducto rf ield ef fec t 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、泄漏电流小的特性。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。

　　虽然研发尚处于初期阶段，但我们认为Ga2O3的潜力巨大。本论文将介绍Ga2O3在功率元件用途方面的使用价值、研发成果，以及今后的目标等。

　　比SiC及GaN更为出色的性能

　　Ga2O3是金属镓的氧化物，同时也是一种半导体化合物。其结晶形态截至目前（2012年2月）已确认有α、β、γ、δ、ε五种，其中，β结构最稳定。与Ga2O3的结晶生长及物性相关的研究报告大部分都使用β结构。我们也使用β结构展开了研发。

　　β-Ga2O3具备名为“β-gallia”的单结晶构造。β-Ga2O3的带隙很大，达到4.8～4.9eV，这一数值为Si的4倍多，而且也超过了SiC的3.3eV 及GaN的3.4eV（表1）。一般情况下，带隙大的话，击穿电场强度也会很大（图1）。β-Ga2O3的击穿电场强度估计为8MV/cm左右，达到Si的20多倍，相当于SiC及GaN的2倍以上。

　　图1：击穿电场强度大

　　带隙越大，击穿电场强度就越大。β-Ga2O3的击穿电场强度为推测值。

　　β-Ga2O3在显示出出色的物性参数的同时，也有一些不如SiC及GaN的方面，这就是迁移率和导热率低，以及难以制造p型半导体。不过，我们认为这些方面对功率元件的特性不会有太大的影响。

　　之所以说迁移率低不会有太大问题，是因为功率元件的性能很大程度上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，巴加利优值较大，是SiC的约10倍、GaN的约4倍。

　　一般情况下，导热率低的话，很难使功率元件在高温下工作。不过，工作温度再高也不过200～250℃，因此实际使用时不会有问题。而且封装有功率元件的模块及 电源电路 等使用的封装材料、布线、焊锡、密封树脂等周边构件的耐热温度最高也不过200～250℃程度。因此，功率元件的工作温度也必须要控制在这一水平之下。

　　另外，关于难以制造p型半导体这一点，使用β-Ga2O3来制作功率元件时，可以将其用作N型半导体，因此也不是什么问题。而且，通过掺杂Sn及Si等施主杂质，可在电子浓度为1016～1019cm-3的大范围内对N型传导特性进行控制（图2）。

　　图2：N型传导特性的控制范围大

　　使用β-Ga2O3时，可在大范围内控制N型传导性。实际上，通过掺杂施主杂质，可在1016～1019cm-3范围内调整电子密度。

　　导通电阻仅为SiC的1/10

　　β-Ga2O3由于巴利加优值较高，因此理论上来说，在制造相同耐压的单极功率元件时，元件的导通电阻比采用SiC及GaN低很多（图3）。降低导通电阻有利于减少电源电路在导通时的电力损失。

　　图3：导通电阻比SiC及GaN小

　　在相同耐压下比较时，β-Ga2O3制造的单极元件，其导通电阻理论上可降至使用SiC时的1/10、使用GaN时的1/3。图中的直线与巴加利优值的倒数相等。直线位置越接近右下方，制成的功率元件性能就越出色。

　　使用β-Ga2O3的功率元件不仅能够降低导通时的损失，而且还可降低 开关 时的损失。因为从理论上说，在耐压1kV以上的高耐压用途方面，可以使用单极元件。

　　比如，设有利用保护膜来减轻电场向栅极集中的“场板”的单极晶体管（MOSFET），其耐压可达到3k～4kV。

　　而使用Si的话在耐压为1kV时就必须使用双极元件，即便使用耐压公认较高的SiC，在耐压为4kV时也必须使用双极元件。双极元件以电子和空穴为载流子，因此与只以电子为载流子的单极元件相比，在导通及截止的开关动作时，沟道内的载流子的产生和消失会耗费时间，损失容易变大。

　　比如Si，在耐压1kV以上的用途方面通常是晶体管使用 IGBT ，二极管使用PIN二极管。

　　SiC的话，耐压4kV以下用途时晶体管可使用MOSFET等单极元件，二极管可使用肖特基势垒二极管（SBD）等单极元件。但在耐压4kV以上时导通电阻超过10mΩcm2，单极元件不具备实用性。因此必须使用双极元件。