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要挑战SiC和GaN的功率半导体氧化镓是何方神圣?

2018-12-25
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目前,以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代化合物半导体受到的关注度越来越高,它们在未来的大功率、高温、高压应用场合将发挥传统的硅器件无法实现的作用。特别是在未来三大新兴应用领域(汽车、5G和物联网)之一的汽车方面,会有非常广阔的发展前景。


然而,SiC和GaN并不是终点,最近,氧化镓(Ga2O3)再一次走入了人们的视野,凭借其比SiC和GaN更宽的禁带,该种化合物半导体在更高功率的应用方面具有独特优势。因此,近几年关于氧化镓的研究又热了起来。


实际上,氧化镓并不是很新的技术,多年前就有公司和研究机构对其在功率半导体领域的应用进行钻研,但就实际应用场景来看,过去不如SiC和GaN的应用面广,所以相关研发工作的风头都被后二者抢去了。而随着应用需求的发展愈加明朗,未来对高功率器件的性能要求越来越高,这使得人们更深切地看到了氧化镓的优势和前景,相应的研发工作又多了起来,已成为美国、日本、德国等国家的研究热点和竞争重点。而我国在这方面还是比较欠缺的。


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。


    

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。


研究进展


高质量β-Ga2O3晶体


一直以来,中国在β-Ga2O3晶体材料和器件方面的研究相对落后,尤其是功率器件的研究很少,关键原因是受限于大尺寸、高质量β-Ga2O3晶体的获得。


2017年8月,我国同济大学物理科学与工程学院唐慧丽副教授、徐军教授团队采用自主知识产权的导模法技术,成功制备出2英寸高质量β-Ga2O3单晶。获得的高质量β-Ga2O3单晶,X射线双晶摇摆曲线半高宽27″,位错密度3.2×104cm-2,表面粗糙度<5A,该项研究成果将有力推动我国氧化镓基电力电子器件和探测器件的发展。


α-Ga2O3


2018年初,电装与FLOSFIA公司决定共同开发面向车载应用的新一代氧化镓功率半导体材料——α-Ga2O3。


α-Ga2O3是京都大学藤田静雄教授全球首次开发成功的单结晶合成材料,可用于电动车的转换器,能实现低功耗、低成本、小型轻量化。


FLOSFIA是于2011年由京都大学发起成立的一家合资公司。致力于α-Ga2O3功率半导体研发。2015年发表了世界最小的导通电阻0.1mΩcm2 SBD(Schottky Barrier Diode)试制数据,2016年成功研制了新型P型半导体α-Ir2O3。


氧化镓MOSFET


今年早些时候,布法罗大学(UB)工程与应用科学学院电气工程副教授Uttam Singisetti博士和他的学生制造了一个厚度为5微米、由氧化镓制成的MOSFET。


研究人员表示,该晶体管的击穿电压为1,850 V,比氧化镓半导体的记录增加了一倍多。击穿电压是将材料(在这种情况下为氧化镓)从绝缘体转换为导体所需的电量。击穿电压越高,器件可以处理的功率越高。


Singisetti表示,由于晶体管的尺寸相对较大,因此不适合智能手机和其他小型设备。但它可能有助于调节大规模运营中的能量流,例如收获太阳能和风能的发电厂,以及电动汽车、火车和飞机等。


但是,该研究还需要深入下去,以解决其导热性差的缺点。


纵向Ga2O3功率器件


近期,日本情报通信研究机构(NICT)与东京农工大学(TUAT)演示了一种“纵向的”氧化镓MOSFET,它采用“全离子注入( all-ion-implanted )”工艺进行N型与P型掺杂,为低成本、高可制造性的Ga2O3 功率电子器件铺路。


过去几年来,Ga2O3 晶体管的开发集中于研究横向几何结构。然而,由于器件面积较大、发热带来的可靠性问题、表面不稳定性,横向器件不容易经受住许多应用所需的高电流与高电压的考验。


相比而言,纵向几何结构能以更高的电流驱动,不必增加芯片尺寸,从而简化了热管理。纵向晶体管开关的特性,是通过向半导体中引入两种杂质(掺杂剂)来设计的。开关“打开”时,N型掺杂,提供移动的载流子(电子),用于携带电流;开关“关闭”时,P型掺杂,会启动电压阻断。


Masataka Higashiwaki 领导的 NICT 科研小组率先在 Ga2O3 器件中使用硅作为N型掺杂剂,但是科学界长期以来一直在为找到一种合适的P型掺杂剂而努力。今年早些时候,同一科研小组,公布了用氮(N)作为P型掺杂剂的可行性。他们最新的成果包括首次通过高能量掺杂剂引入工艺,即所谓的“离子注入”,整合硅与氮掺杂,设计出一个 Ga2O3 晶体管。


据悉,纵向功率器件可以实现超过100A的电流和超过1kV的电压,这样的结合是许多应用所要求的,特别是电力工业和汽车电力系统所需要的。


热管理方法研究


近期,美国佛罗里达大学、美国海军研究实验室和韩国大学的研究人员也在研究氧化镓MOSFET。佛罗里达大学材料科学与工程教授Stephen Pearton表示,它们正在研究氧化镓作为MOSFET的发展潜力。传统上,这些微型电子开关由硅制成,用于笔记本电脑、智能手机和其他电子产品。对于像电动汽车充电站这样的系统,我们需要能够在比硅基器件更高的功率水平下工作的MOSFET,而氧化镓可能就是解决方案。为了实现这些先进的MOSFET,该团队确定了需要改进栅极电介质,以及更有效地从器件中释放热量的热管理方法。


结语


氧化镓是一种新兴的功率半导体材料,其禁带宽度大于硅,氮化镓和碳化硅,在高功率应用领域的应用优势愈加明显。但氧化镓不会取代SiC和GaN,后两者是硅之后的下一代主要半导体材料。


氧化镓更有可能在扩展超宽禁带系统可用的功率和电压范围方面发挥作用。而最有希望的应用可能是电力调节和配电系统中的高压整流器,如电动汽车和光伏太阳能系统。


但是,在成为电力电子产品的主要竞争者之前,氧化镓仍需要开展更多的研发和推进工作,以克服自身的不足。


文/半导体行业观察 张健


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