技术讲座：用氧化镓能制造出比SiC性价比更高的功率元件

气特性

　　试制品在施加+2V栅极电压时的最大漏极电流为16mA（a）。耐压为257V。夹断状态下的漏极泄漏电流仅为3μA（b）。漏极电压为40V时，最大跨导为1.4mS。

　　此次试制品的所有特性均未达到产品化水平。不过，作为研发初期阶段的非常简单的晶体管来说，已经很出色了。与GaN类MESFET研发的初期阶段（1990年代前半期）相比，也已经实现了同等或以上的成果。此次获得的良好特性源于Ga2O3作为半导体材料的巨大潜力，以及外延层的材料与基板相同（即同型）。
　　其实，实际耐压比250V还要高。该电压是电极金属随着电极间短路而烧焦后的数值。因此，实际能使Ga2O3发生击穿的电压更高。至少可耐压1kV以上。
　　另外，泄漏电流还有望进一步降低，这样就能够提高电流的导通/截止比。此次的泄漏电流并非流过Ga2O3基板内部的电流，而是主要在n型Ga2O3的表面传导的电流。因此，在元件表面形成保护膜的话，便可降低泄漏电流。有望实现达到实用水平的106～107左右。
　　另外，输出电流也可进一步提高，还可常闭工作，很多特性都可达到实用化要求。
　　目标是制造MOSFET
　　使用β-Ga2O3的功率元件的研发现在才刚刚开始。虽然还存在众多课题，如4英寸以上大尺寸基板的制造技术、包括掺杂在内的外延生长技术，以及功率元件的工艺技术等，但目前已看到了解决的希望。
　　要想实现实用化，首先要试制出能够常闭型工作的晶体管。因此，我们开始致力于实际MOSFET产品的制造。
　　制造MOSFET产品时，栅极绝缘膜使用带隙非常大的Al2O3、SiO2等氧化物。由于同为氧化物的缘故，这些氧化物绝缘膜与Ga2O3的界面有望实现低缺陷密度（界面状密度）。我们将力争在2015年之前制造出口径4英寸的基板和MOSFET，并在2020年之前开始作为功率元件开始小规模量产。
　　β-Ga2O3用于高功率LED
　　β-Ga2O3不仅可用于功率元件，而且还可用于LED芯片、各种传感器元件及摄像元件等，应用范围很广。其中，使用GaN类半导体的LED芯片基板是最被看好的用途。尤其值得一提的是，β-Ga2O3具备适合需要大驱动电流的高功率LED的特性。
　　GaN基LED芯片广泛用于蓝色、紫色及紫外等光线波长较短的LED。其中，蓝色LED芯片是作为白色LED的重要基础部件。GaN基蓝色LED芯片现在是在蓝宝石基板上制造。
　　β-Ga2O3基板与蓝宝石基板相比，紫外光及可见光的透射率同为80％，此外其电阻率为0.005Ωcm左右，具有良好的导电性。
　　透射率越高，就越容易将LED芯片发光层发出的光提取到外部，有望提高光输出功率及发光效率。而且，由于导电性高，因此还可采用在LED芯片表面和背面分别形成阳极和阴极的垂直结构。而蓝宝石基板具有绝缘性，因此采用横向配置阳极和阴极的横向结构。
　　垂直结构与横向结构相比，不仅可以降低元件电阻及热阻，而且还可使电流分布均匀化。由于元件电阻及热阻越小，LED芯片的发热量就越少，因此适合驱动电流较大的情况。
　　垂直结构容易使电流分布均匀化，因此即使流过大电流，LED芯片也不易损坏。此外，电流均匀流过LED芯片，还可减轻发光不均现象。因此，与采用横向结构的普通的蓝宝石基板产品相比，β-Ga2O3基板单位面积的光输出功率估计可达到10倍以上。
　　SiC基板也可实现垂直结构，但其成本较高。而采用β-Ga2O3的话，则有望以更低成本来制造基板。
　　SiC基板在元件特性方面也存在问题。SiC基板的蓝色光吸收特性与电阻呈此消彼长的关系。抑制蓝色光的吸收，电阻就会变大。所以元件电阻的降低就会存在极限。
　　光输出功率为市售产品的5倍
　　虽然使用β-Ga2O3基板的GaN基LED芯片目前正在开发之中，但已经获得了一定成果。比如，日本信息通信研究机构（NICT）的研究小组试制出了发光波长为450nm的300μm见方的LED元件。该元件在n型Ga2O3基板上，利用MOCVD法，经由缓冲层层叠了n型GaN层、InGaN/GaN的多重量子阱构造的活性层，以及p型GaN层（图A-1）。在基板侧形成了Ti/Au的n型电极，在另一侧形成了Ag类的p型电极。

　　

　　图A-1：在n型Ga2O3基板上制造的GaN基LED芯片

　　在n型Ga2O3基板上经由缓冲层层叠GaN类半导体，由此制造LED芯片。本图是将p层朝下实施封装的示例。

　　该试制品在驱动电流为1200mA时的光输出功率为170mW（图A-2）。与市售的300μm见方横向结构蓝色LED芯片相比，可实现5倍以上的光输出功率。并且，通过改进发光层及光提取构造等，还有望将光输出功率再提高2倍。

　　

　　图A-2：光输出功率高达170mW试制品在驱动电流为1200mA时的光输出功率为170mW。将来通过改进发光层及光提取构造等，还有望将光输