技术突破!中企成功制备4英寸氧化镓单晶

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技术突破!中企成功制备4英寸氧化镓单晶
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27日,从中国电子科技集团有限公司获悉,近日,中国电科46所经过多年氧化镓晶体生长技术探索,通过改进热场结构、优化生长气氛和晶体生长工艺,有效解决了晶体生长过程中原料分解、多晶形成、晶体开裂等问题,采用导模法成功制备出高质量的4英寸氧化镓单晶。

据介绍,氧化镓是一种新型超宽禁带半导体材料,适用于制造高电流密度的功率器件、紫外探测器、发光二极管等。但由于氧化镓属于单斜晶系,具有高熔点、高温分解以及易开裂的特性,因此,大尺寸氧化镓单晶制备极为困难。

中国电科46所制备的氧化镓单晶的宽度接近100mm,总长度达到250mm,可加工出4英寸晶圆、3英寸晶圆和2英寸晶圆。经测试,晶体具有很好的结晶质量,将为国内相关器件的研制提供有力支撑。

氧化镓的优势

氧化镓是一种宽禁带半导体,禁带宽度Eg=4.9eV,其导电性能和发光特性良好,因此,其在光电子器件方面有广阔的应用前景,被用作于Ga基半导体材料的绝缘层,以及紫外线滤光片。这些是氧化镓的传统应用领域,而其在未来的功率、特别是大功率应用场景才是更值得期待的。

虽然氧化镓的导热性能较差,但其禁带宽度(4.9eV)超过碳化硅(约3.4eV),氮化镓(约3.3eV)和硅(1.1eV)的。由于禁带宽度可衡量使电子进入导通状态所需的能量。采用宽禁带材料制成的系统可以比由禁带较窄材料组成的系统更薄、更轻,并且能应对更高的功率,有望以低成本制造出高耐压且低损失的功率元件。此外,宽禁带允许在更高的温度下操作,从而减少对庞大的冷却系统的需求。

日本的相关机构在氧化镓功率器件研究方面一直处于业界领先水平。早些年,日本信息通信研究机构(NICT)等研究小组使用Ga2O3试制了“MESFET”(metal-semiconductorfield effect 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、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。

2012年,Ga2O3的结晶形态确认有α、β、γ、δ、ε五种,其中,β结构最稳定,当时,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。

例如,单结晶构造的β-Ga2O3由于具有较宽的禁带,使其击穿电场强度很大,具体如下图所示。β-Ga2O3的击穿电场强度约为8MV/cm,是Si的20多倍,相当于SiC及GaN的2倍以上。

技术突破!中企成功制备4英寸氧化镓单晶

由图可以看出,β-Ga2O3的主要优势在于禁带宽度,但也存在着不足,主要表现在迁移率和导热率低,特别是导热性能是其主要短板。不过,相对来说,这些缺点对功率器件的特性不会有太大的影响,这是因为功率器件的性能主要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,巴利加优值较大,是SiC的10倍、GaN的4倍。

由于β-Ga2O3的巴利加优值较高,因此,在制造相同耐压的单极功率器件时,元件的导通电阻比采用SiC或GaN的低很多。降低导通电阻有利于减少电源电路在导通时的电力损耗。使用β-Ga2O3的功率器件,不仅能减少导通时的电力损耗,还可降低开关时的损耗,因为在耐压1kV以上的高耐压应用方面,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单极晶体管(MOSFET),其耐压可达到3k~4kV。而使用硅的话,在耐压为1kV时就必须使用双极元件,即便使用耐压较高的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,在导通和截止的开关操作时,沟道内的载流子的产生和消失会耗费时间,损失容易变大。

在导热率方面,如果导热率低,功率器件很难在高温下工作。不过,实际应用中的工作温度一般不会超过250℃,因此,实际应用当中不会在这方面出现大的问题。而且封装有功率器件的模块和电源电路使用的封装材料、布线、焊锡、密封树脂等的耐热温度最高也不过250℃,因此,功率器件的工作温度也要控制在这一水平之下。

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