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氧化镓:用于功率器件的新一代半导体材料

半导体行业越来越倾向于使用像碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)这类宽带隙材料制造器件,但这些材料的成本仍然相对较高。在过去十年中,氧化镓技术发展迅速,已被推至超宽带隙半导体技术的前沿位置,其主要目标应用领域是电力电子。基于其固有的材料特性-高临界场强、宽可调电导率、低迁移率和基于熔化的体生长,氧化镓有望以低成本提供业界所需的高性能。

为了最大限度地发挥这种新型半导体技术的潜力,业界必须齐心协力解决约束其性能发挥的技术障碍。较早,是京都大学专门从事氧化镓薄膜研发和商业化的子公司得出了“氧化镓技术值得开发”的结论。几年来,超宽带隙半导体领域已经取得了重大技术进步。

作为响应,研究人员最近一直在开发β-氧化镓(β-Ga2O3),这是一种稳定的化合物相。β-Ga2O3的研发是业界对材料研究日益关注的结果,与过去基于结的方法相比,材料研究提高了电力电子器件的整体性能。β-Ga2O3因其固有特性而突出,包括超宽的带隙(5eV的能隙)、良好的导电性和场保持能力以及高临界场强度(其场强值高达5.5MV/m)。

图1:截至2021年,β-Ga2O3在各领域应用商业化方面的技术进步一览表(来源:AIP Publishing)

以不同的方式对材料进行加工,可以产生各种各样的性能,这展示了其灵活性。例如,通过从熔体中掺杂会导致10mΩ-cm的电阻率;而通过硅注入则可以将其降低到1mΩ-cm。另外,可以控制材料上的卤化物蒸气外延,将其掺杂浓度控制在1015~1019/cm3的范围内。

在β-Ga2O3上实现标准特性也相对容易。例如,欧姆和肖特基连接触点可以在相对较低的退火温度下使用钛、铝和镍等标准金属制成。可以使用标准生产设备对材料进行成晶和研磨。不同的介电材料,例如使用原子层沉积方法沉积的Al2O3,可以用作栅极电介质(见图1)。

β-Ga2O3的高临界场和相对低的迁移率,使其表现出比SiC和GaN更好的性能。从熔体中生长的材料特性,支持利用较低成本的大块GaN、SiC和金刚石制造高质量的晶体。β-Ga2O3的主晶体管优值(FoM)约为4H-SiC的3倍,甚至比GaN的主晶体管还要好20%。

凭借这些优势,β-Ga2O3成为现有宽带隙材料的一种可行的低成本替代品,而且还提高了性能。不过,其大规模商业化仍面临下面所列的一些挑战。

首先是材料热性能问题,β-Ga2O3的极低导热性阻碍了高效传热,导热性是电力电子器件的一个关键参数。如何实现超薄的β-Ga2O3管芯,将是提高材料导热性和开发更好的β-Ga2O3器件散热技术的关键。

图2:典型的半导体晶片示意图(来源:Tip3X)

其次是该材料的价带平坦,导致几乎没有空穴传输,这意味着缺少p型结。这样一来,就无法形成雪崩p-n结,因此对于应用在带有噪声电源领域的设备或需要快速接管大电感负载(例如不间断电源)的应用来说,这的确是一个问题。管芯边缘的电场会影响器件额定值,如果解决不好的话,会导致性能和可靠性下降,而缺少p型结可能会使问题更加恶化。另外,缺少p型结也对e型晶体管的设计带来了约束。

再就是,各种管芯端接方法也正在研究中,例如斜角端接和使用p型氧化物的端接。然而,目前缓解这一问题的解决方案需要严格的工艺控制,这也给材料的可用性带来了一些问题(见图2和图3)。

还有,与其他半导体相比,β-Ga2O3的晶圆尺寸较小也是一个问题,因为较大的晶圆尺寸有助于降低制造成本,同时能提高晶体质量并降低缺陷率。目前制造β-Ga2O3器件所使用的最大晶圆尺寸仅为100mm,而业界标准半导体晶圆直径为150mm,越来越多的公司将提升到200mm。为了利用现有的先进制造设备,β-Ga2O3制造必须向更大的晶圆尺寸发展。此外,对β-Ga2O3的研究仍处于起步阶段,因此尚无可用的器件可靠性数据。

图3:垂直功率器件的理论计算性能(RON vs.VBK)。计算中使用的假设列于右侧。该模型考虑了触点、沟道、漂移和衬底电阻;p表示单元间距。(来源:美国物理联合会出版社)

实际上,即便是在经济因素方面,也还有一些问题需要解决。例如在批量生产β-Ga2O3晶体过程中,一部分昂贵的贵金属坩埚的损耗(这些情况包括边缘限定、薄膜馈电生长(EFG)制造法,以及与直拉法(CZ)一起使用的铱坩埚)。如果按其他半导体材料的最新技术所要求的那样来增加衬底尺寸,将会使问题更加恶化,并加速这些坩埚的衰退。

据报道,中国的研究人员已经开发了一些方法,可以缓解这一问题,从而将制造成本降低约10倍,但这项技术的大规模应用效果尚待观察。适用于垂直β-Ga2O3器件外延层生长的制造法,需要目前非常先进机器上还没有装备的技术。

关于使用β-Ga2O3材料所制造器件的设计、开发和商用化方面,业内有大量的兴趣和研究。随着各公司的商业化进展,这种兴趣正在推动衬底制造技术的惊人增长。

目前虽然有许多器件已经有样品,但实际上要应对上述挑战,仍有大量优化工作要做。尽管如此,β-Ga2O3技术仍是已经成熟到了令人兴奋的时刻,因为这种材料很容易获得,器件制造所面临的约束或挑战都已明确,并且都已得到充分验证。

如果建立起行业的一致努力,大规模、经济可行的β-Ga2O3制造技术的成功开发,将为商业化打开大门,从而生产出能够充分利用材料优势的高可靠性器件。

本文为《电子工程专辑》2023年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅

文章来自:https://www.eet-china.com/