功率半导体的革命：SiC与GaN的共舞（二）

高温下也不易发生变化。

氧化镓比SiC耐压高且损耗低

　　“实际上Ga2O3是很有意思的材料”（熟知功率半导体元件的研究人员）。

　　与正作为新一代功率半导体材料而在推进开发的SiC（碳化硅）及GaN（氮化镓）相比，因有望以低成本制造出高耐压且损耗低的功率半导体元件（以下称功率元件），作为氧化镓一种的β型Ga2O3吸引了众多目光。

　　契机是日本信息通信研究机构（NICT）、田村制作所及光波公司共同开发出的β型Ga2O3晶体管（图1）注1）。具体就是把肖特基结型金属用作栅极电极的“MESFET”（金属半导体场效应晶体管，metal-semiconductor field effect transistor）。

　　注1） 此次的部分开发是通过NEDO的委托业务“节能革新技术开发业务——挑战研究‘超高耐压氧化镓功率元件的研发’”实施的。基板制造由田村制作所与光波公司负责，外延层形成由京都大学、东京工业大学及田村制作所负责，工艺由NICT负责。

　　尽管该晶体管采用不形成保护膜（钝化膜）的简单构造，但耐压却高达257V，漏电流仅为5μA/mm。“本来是抱着能工作就可以的期望制造的，但结果却好得超出了想象。这是只有氧化镓才能实现的值”，NICT未来ICT研究所超高频ICT研究室主任研究员东胁正高开心地表示。

　　材料性质比SiC及GaN还要出色

　　比SiC或GaN耐压高且损耗低的功率元件之所以能够实现，是因为其材料性质参数比两种材料都要出色（图2（a））。其中，带隙和绝缘破坏电场较大。

　　图3 NICT等利用β型Ga2O3试制出了晶体管（a、b）。尽管构造简单，但耐压高达257V（c）。（（a）的图片来自于NICT等）

　　在Ga2O3中，化学性质比较稳定的是β型，其带隙为4.8～4.9eV。该数值是硅的4倍以上，而且高于3.3eV的SiC和3.4eV的GaN。绝缘破坏电场为8MV/cm左右，相当于硅的20倍以上、SiC或GaN的两倍以上。

　　图4 β型Ga2O3的带隙及绝缘破坏电场特别大，低损耗性指标“Baliga性能指数”较高（a）。因此，制造相同耐压的功率元件时，β型Ga2O3与GaN或SiC相比，导通电阻会变小（b）。

　　因此，从理论上来说，制造相同耐压的单极性功率元件时，β型Ga2O3与SiC或GaN相比，可以减小导通电阻（图2（b））。而导通电阻的降低，有助于减少电源电路中的电力损耗。

　　耐压上也有望超过SiC。比如，通过设置形成保护膜来减轻电场向栅极集中的“场板”的单极晶体管，“估计可达到3k～4kV”（NICT的东胁）。

　　而单极元件——SiC制MOSFET的耐压一般为1kV左右，提高了耐压的双极元件“应该也很难达到3kV以上”（东胁）。

　　β-Ga2O3还有一个特点，就是在制作基板时可采用“FZ（floating zone，悬浮区熔法）”及“EFG（edge-defined film-fed growth，导模法）”等溶液生长法，这两种生长法能够以低成本量产结晶缺陷少且口径大的基板。

　　FZ法及EFG法已被实际用于蓝宝石基板的制造。蓝宝石基板是制作蓝色LED芯片的基板，特点是价格便宜，结晶缺陷少，而且大尺寸产品的口径可达到6～8英寸。而SiC基板及GaN基板一般采用气相法制造，所以减少结晶缺陷以及扩大口径都较为困难。

　　此次试制的晶体管使用的Ga2O3基板就是采用FZ法制成的，但外形尺寸还很小，只有6mm×4mm注1）。“将来制造口径为6英寸的Ga2O3基板时，估计成本可降至1万日元左右。SiC基板是无法做到如此便宜的”（NICT的东胁）。

　　注1）此外，还有采用EFG法制成的2英寸见方基板。

　　此外，Ga2O3基板能够以低于SiC或GaN的温度在基板上形成外延层，所以有助于降低制造时的耗电量并削减设备成本。如果采用名为“Mist CVD法”的方法，生长温度还不到500℃注2）。而GaN或SiC一般需要1000℃以上的温度。

　　注2）此次试制的晶体管进行外延层生长时采用了MBE法。

　　首先从制造MOSFET开始

　　Ga2O3中隐藏着巨大的潜力，但研发的全面目前才刚刚开始。试制出的晶体管不仅耐压、输出电流及电流的导通/截止比都还达不到要求，漏电流也较大，而且还存在常闭工作等课题注3）。但“与采用GaN的功率元件的开发初期相比，估计解决课题所花费的时间会较短。目前已找到形成保护膜等解决问题的头绪”（NICT的东胁）。

　　注3）此外，还存在难以制成p型晶体管的课题，但功率元件使用的是n型，所以问题不大。

　　据NICT介绍，当前的目标是在2015年之前利用Ga2O3制造出口径为4英寸的基板和MOSFET，2020年的目标是开始作为功率元件进行小规模量产。