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近年來氧化鎵晶體生長技術(shù)的突破性進展,極大地推動了相關(guān)的薄膜外延、日盲探測器、功率器件、高亮度紫外LED等器件的研究,是國際上超寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究熱點。國家重點研發(fā)計劃“戰(zhàn)略性先進電子材料”重點專項也于2018年發(fā)布了相關(guān)的研究指南“超寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件研究(基礎(chǔ)研究類)”,也極大帶動了國內(nèi)相關(guān)科研機構(gòu)的研究興趣,近年來,我國科學(xué)工作者在氧化鎵材料和器件研究方面取得了重要的進展。
在最新出版的《半導(dǎo)體學(xué)報》2019年第1期上,西安電子科技大學(xué)郝躍院士總結(jié)了目前氧化鎵半導(dǎo)體功率器件的發(fā)展?fàn)顩r,著重介紹了氧化鎵材料的潛力、氧化鎵材料及器件研制進展和面臨的挑戰(zhàn)。郝躍院士特別對氧化鎵這個重要新興領(lǐng)域的未來發(fā)展前景進行了展望。
氧化鎵(β-Ga2O3)作為繼GaN和SiC之后的下一代超寬禁帶半導(dǎo)體材料,其禁帶寬度約為4.8 eV,理論擊穿場強為8 MV/cm,電子遷移率為300 cm2/Vs,因此β-Ga2O3具有4倍于GaN,10倍于SiC以及3444倍于Si的Baliga技術(shù)指標(biāo)。同時通過熔體法(生長藍寶石襯底的方法)可以獲得低缺陷密度(103~104 cm-2)的大尺寸β-Ga2O3襯底,使得β-Ga2O3器件的成本相比于GaN以及SiC器件更低。隨著高鐵、電動汽車以及高壓電網(wǎng)輸電系統(tǒng)的快速發(fā)展,全世界急切的需要具有更高轉(zhuǎn)換效率的高壓大功率電子電力器件。β-Ga2O3功率器件在與GaN和SiC相同的耐壓情況下,導(dǎo)通電阻更低、功耗更小、更耐高溫、能夠極大地節(jié)約上述高壓器件工作時的電能損失,因此Ga2O3提供了一種更高效更節(jié)能的選擇。
目前氧化鎵低缺陷密度襯底已經(jīng)可以達到4英寸,而在氧化鎵襯底上通過MOVPE、MBE及HVPE等原位同質(zhì)外延獲得的外延層具有0.5 nm左右的RMS平整度。氧化鎵材料的平均擊穿電場已經(jīng)達到5 MV/cm,水平及縱向垂直氧化鎵肖特基二極管分別已經(jīng)取得了超過3 kV以及2.2 kV的擊穿電壓。同時,耗盡/增強型背柵MOSFET也取得了超過1.5/1 A/mm的輸出電流密度、水平及縱向MOSFET在截止?fàn)顟B(tài)下也分別取得了1.8/1 kV的擊穿電壓以及氧化鎵高頻器件取得了ft/fmax = 5.1/17.1 GHz。
氧化鎵器件除日本推出的α-Ga2O3二極管產(chǎn)品以外,其他Ga2O3器件仍然處在實驗室階段。目前所關(guān)心的主要問題是:氧化鎵襯底的低熱導(dǎo)率。解決辦法有兩種:熱傳遞自器件溝道往下到通過鍵合技術(shù)所得的高熱導(dǎo)率金剛石或AlN襯底以及自溝道往上至器件鈍化層頂部高熱導(dǎo)率金屬熱沉。P型摻雜依然是一個巨大的挑戰(zhàn),但從器件角度來看可采用單極器件。其他挑戰(zhàn)還包括研制出具有低缺陷密度高可靠的柵介質(zhì)、更低阻值的歐姆接觸、更有效的終端技術(shù)比如場版和金屬環(huán)用來提高擊穿電場、更低缺陷密度及更耐壓的Ga2O3外延層以及更大更便宜的單晶襯底。在充分考慮并解決了不局限于上述問題,氧化鎵功率器件的明天便會大放光彩,為高效能功率器件的選擇提供新的方案。