2012-4-21 09:13:42 上傳

下載附件 (59.29 KB)

　　圖2：N型傳導(dǎo)特性的控制范圍大

　　使用β-Ga2O3時(shí)，可在大范圍內(nèi)控制N型傳導(dǎo)性。實(shí)際上，通過摻雜施主雜質(zhì)，可在1016～1019cm-3范圍內(nèi)調(diào)整電子密度。

　　導(dǎo)通電阻僅為SiC的1/10
　　β-Ga2O3由于巴利加優(yōu)值較高，因此理論上來說，在制造相同耐壓的單極功率元件時(shí)，元件的導(dǎo)通電阻比采用SiC及GaN低很多（圖3）。降低導(dǎo)通電阻有利于減少電源電路在導(dǎo)通時(shí)的電力損失。

　　

2012-4-21 09:13:42 上傳

下載附件 (101.01 KB)

　　圖3：導(dǎo)通電阻比SiC及GaN小

　　在相同耐壓下比較時(shí)，β-Ga2O3制造的單極元件，其導(dǎo)通電阻理論上可降至使用SiC時(shí)的1/10、使用GaN時(shí)的1/3。圖中的直線與巴加利優(yōu)值的倒數(shù)相等。直線位置越接近右下方，制成的功率元件性能就越出色。
　　使用β-Ga2O3的功率元件不僅能夠降低導(dǎo)通時(shí)的損失，而且還可降低開關(guān)時(shí)的損失。因?yàn)閺睦碚撋险f，在耐壓1kV以上的高耐壓用途方面，可以使用單極元件。
　　比如，設(shè)有利用保護(hù)膜來減輕電場(chǎng)向柵極集中的“場(chǎng)板”的單極晶體管（MOSFET），其耐壓可達(dá)到3k～4kV。
　　而使用Si的話在耐壓為1kV時(shí)就必須使用雙極元件，即便使用耐壓公認(rèn)較高的SiC，在耐壓為4kV時(shí)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)通及截止的開關(guān)動(dòng)作時(shí)，溝道內(nèi)的載流子的產(chǎn)生和消失會(huì)耗費(fèi)時(shí)間，損失容易變大。
　　比如Si，在耐壓1kV以上的用途方面通常是晶體管使用IGBT，二極管使用PIN二極管。
　　SiC的話，耐壓4kV以下用途時(shí)晶體管可使用MOSFET等單極元件，二極管可使用肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）等單極元件。但在耐壓4kV以上時(shí)導(dǎo)通電阻超過10mΩcm2，單極元件不具備實(shí)用性。因此必須使用雙極元件。
　　基板成本也較低
　　采用β-Ga2O3制作基板時(shí)，可使用“FZ（floating zone）法”及“EFG（edge-definedfilm-fed growth）法”等溶液生長(zhǎng)法，這也是其特點(diǎn)之一（圖4）。溶液生長(zhǎng)法容易制備結(jié)晶缺陷少、口徑大的單結(jié)晶，因此能夠以低成本輕松量產(chǎn)基板。實(shí)際上是利用FZ法或EFG法制備單結(jié)晶，然后將結(jié)晶切成薄片，以此來制造基板。

　　

2012-4-21 09:13:42 上傳

下載附件 (34.09 KB)

　　圖4：可利用溶液生長(zhǎng)法

　　β-Ga2O3可利用FZ法及EFG法等溶液生長(zhǎng)法（a）。已試制完成口徑為2英寸的基板（b）。

　　用于制造藍(lán)色LED芯片的藍(lán)寶石基板就是利用EFG法制造的。藍(lán)寶石基板不僅便宜而且結(jié)晶缺陷少，而且口徑較大，達(dá)到6～8英寸。而SiC基板的基礎(chǔ)即單結(jié)晶則需利用“升華法”制造，GaN基板的基礎(chǔ)即單結(jié)晶需利用“HVPE（hydridevapor phase epitaxy）法”等氣相法制造，因此在減少結(jié)晶缺陷和大口徑化方面有很大難度。
　　日本信息通信研究機(jī)構(gòu)等的研究小組試制出的晶體管所使用的β-Ga2O3基板是利用FZ法制成的。外形尺寸也很小，只有6mm×4mm。
　　但只要導(dǎo)入與藍(lán)寶石基板相同的大型制造設(shè)備，就有望利用EFG法實(shí)現(xiàn)6英寸口徑。估計(jì)將來能夠以1萬日元以下的成本實(shí)現(xiàn)1塊口徑6英寸的β-Ga2O3基板。
　　制造時(shí)的耗電量也很小
　　β-Ga2O3不僅可降低基板成本，而且還可降低制造時(shí)的耗電量及設(shè)備成本。比如，據(jù)計(jì)算，采用EFG法時(shí)，制造基板的單位面積耗電量只有升華法的約1/3。
　　制造時(shí)耗電量小的原因在于生長(zhǎng)速度快，以及結(jié)晶生長(zhǎng)時(shí)溫度略低等。β-Ga2O3結(jié)晶的生長(zhǎng)速度達(dá)到SiC的10倍以上。此外，升華法必須在2000℃以上的高溫下使結(jié)晶生長(zhǎng)，而且EFG法只需要1725℃。
　　不僅是基板制造，在基板上形成的處延層也能夠以低于SiC及GaN的低溫來形成。SiC及GaN的話一般要在1000℃以上的高溫下使處延層生長(zhǎng)。而β-Ga2O3基板在采用名為“mist CVD法”外延層生長(zhǎng)方法時(shí)，生長(zhǎng)溫度可降至不到500℃。由于可降低基板制造和外延層生長(zhǎng)時(shí)的溫度，因此不僅是功率元件本身，連元件制造時(shí)的耗電量也可減少。
　　另外，由于不需要像SiC及GaN那樣的耐熱性高的制造設(shè)備，因此還有助于降低設(shè)備成本。
　　采用適合用來驗(yàn)證的簡(jiǎn)單構(gòu)造
　　為了挖掘β-Ga2O3的這些出色潛能，我們開始對(duì)該材料進(jìn)行研發(fā)。第一項(xiàng)成果就是上篇文章中提到的MESFET。盡管是未形成保護(hù)膜的非常簡(jiǎn)單的構(gòu)造，但耐壓卻高達(dá)257V，且泄漏電流只有5μA/mm（圖5）。