27日，從中國電子科技集團(tuán)有限公司獲悉，近日，中國電科46所經(jīng)過多年氧化鎵晶體生長技術(shù)探索，通過改進(jìn)熱場結(jié)構(gòu)、優(yōu)化生長氣氛和晶體生長工藝，有效解決了晶體生長過程中原料分解、多晶形成、晶體開裂等問題，采用導(dǎo)模法成功制備出高質(zhì)量的4英寸氧化鎵單晶。
據(jù)介紹，氧化鎵是一種新型超寬禁帶半導(dǎo)體材料，適用于制造高電流密度的功率器件、紫外探測器、發(fā)光二極管等。但由于氧化鎵屬于單斜晶系，具有高熔點(diǎn)、高溫分解以及易開裂的特性，因此，大尺寸氧化鎵單晶制備極為困難。
中國電科46所制備的氧化鎵單晶的寬度接近100mm，總長度達(dá)到250mm，可加工出4英寸晶圓、3英寸晶圓和2英寸晶圓。經(jīng)測試，晶體具有很好的結(jié)晶質(zhì)量，將為國內(nèi)相關(guān)器件的研制提供有力支撐。
氧化鎵的優(yōu)勢
氧化鎵是一種寬禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度Eg=4.9eV，其導(dǎo)電性能和發(fā)光特性良好，因此，其在光電子器件方面有廣闊的應(yīng)用前景，被用作于Ga基半導(dǎo)體材料的絕緣層，以及紫外線濾光片。這些是氧化鎵的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，而其在未來的功率、特別是大功率應(yīng)用場景才是更值得期待的。
雖然氧化鎵的導(dǎo)熱性能較差，但其禁帶寬度（4.9eV）超過碳化硅（約3.4eV），氮化鎵（約3.3eV）和硅（1.1eV）的。由于禁帶寬度可衡量使電子進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)所需的能量。采用寬禁帶材料制成的系統(tǒng)可以比由禁帶較窄材料組成的系統(tǒng)更薄、更輕，并且能應(yīng)對更高的功率，有望以低成本制造出高耐壓且低損失的功率元件。此外，寬禁帶允許在更高的溫度下操作，從而減少對龐大的冷卻系統(tǒng)的需求。
日本的相關(guān)機(jī)構(gòu)在氧化鎵功率器件研究方面一直處于業(yè)界領(lǐng)先水平。早些年，日本信息通信研究機(jī)構(gòu)（NICT）等研究小組使用Ga2O3試制了“MESFET”（metal-semiconductorfield effect transistor，金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）。盡管是未形成保護(hù)膜（鈍化膜）的非常簡單的構(gòu)造，但試制品顯示出了耐壓高、漏電流小的特性。而使用SiC及GaN來制造相同構(gòu)造的元件時，要想實現(xiàn)像試制品這樣的特性，則是非常難的。
2012年，Ga2O3的結(jié)晶形態(tài)確認(rèn)有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，當(dāng)時，與Ga2O3的結(jié)晶生長及物性相關(guān)的研究報告大部分都使用β結(jié)構(gòu)。
例如，單結(jié)晶構(gòu)造的β-Ga2O3由于具有較寬的禁帶，使其擊穿電場強(qiáng)度很大，具體如下圖所示。β-Ga2O3的擊穿電場強(qiáng)度約為8MV/cm，是Si的20多倍，相當(dāng)于SiC及GaN的2倍以上。
由圖可以看出，β-Ga2O3的主要優(yōu)勢在于禁帶寬度，但也存在著不足，主要表現(xiàn)在遷移率和導(dǎo)熱率低，特別是導(dǎo)熱性能是其主要短板。不過，相對來說，這些缺點(diǎn)對功率器件的特性不會有太大的影響，這是因為功率器件的性能主要取決于擊穿電場強(qiáng)度。就β-Ga2O3而言，作為低損失性指標(biāo)的“巴利加優(yōu)值（Baliga’s figure of merit）”與擊穿電場強(qiáng)度的3次方成正比、與遷移率的1次方成正比。因此，巴利加優(yōu)值較大，是SiC的10倍、GaN的4倍。
由于β-Ga2O3的巴利加優(yōu)值較高，因此，在制造相同耐壓的單極功率器件時，元件的導(dǎo)通電阻比采用SiC或GaN的低很多。降低導(dǎo)通電阻有利于減少電源電路在導(dǎo)通時的電力損耗。使用β-Ga2O3的功率器件，不僅能減少導(dǎo)通時的電力損耗，還可降低開關(guān)時的損耗，因為在耐壓1kV以上的高耐壓應(yīng)用方面，可以使用單極元件。
比如，設(shè)有利用保護(hù)膜來減輕電場向柵極集中的單極晶體管（MOSFET），其耐壓可達(dá)到3k～4kV。而使用硅的話，在耐壓為1kV時就必須使用雙極元件，即便使用耐壓較高的SiC，在耐壓為4kV時也必須使用雙極元件。雙極元件以電子和空穴為載流子，因此與只以電子為載流子的單極元件相比，在導(dǎo)通和截止的開關(guān)操作時，溝道內(nèi)的載流子的產(chǎn)生和消失會耗費(fèi)時間，損失容易變大。
在導(dǎo)熱率方面，如果導(dǎo)熱率低，功率器件很難在高溫下工作。不過，實際應(yīng)用中的工作溫度一般不會超過250℃，因此，實際應(yīng)用當(dāng)中不會在這方面出現(xiàn)大的問題。而且封裝有功率器件的模塊和電源電路使用的封裝材料、布線、焊錫、密封樹脂等的耐熱溫度最高也不過250℃，因此，功率器件的工作溫度也要控制在這一水平之下。