技术讲座：用氧化镓能制造出比SiC性价比更高的功率元件（二）

　　基板成本也较低

　　采用β-Ga2O3制作基板时，可使用“FZ（floating zone）法”及“EFG（edge-definedfilm-fed growth）法”等溶液生长法，这也是其特点之一（图4）。溶液生长法容易制备结晶缺陷少、口径大的单结晶，因此能够以低成本轻松量产基板。实际上是利用FZ法或EFG法制备单结晶，然后将结晶切成薄片，以此来制造基板。

　　图4：可利用溶液生长法

　　β-Ga2O3可利用FZ法及EFG法等溶液生长法（a）。已试制完成口径为2英寸的基板（b）。

　　用于制造蓝色LED芯片的蓝宝石基板就是利用EFG法制造的。蓝宝石基板不仅便宜而且结晶缺陷少，而且口径较大，达到6～8英寸。而SiC基板的基础即单结晶则需利用“升华法”制造，GaN基板的基础即单结晶需利用“HVPE（hydridevapor phase epitaxy）法”等气相法制造，因此在减少结晶缺陷和大口径化方面有很大难度。

　　日本信息通信研究机构等的研究小组试制出的晶体管所使用的β-Ga2O3基板是利用FZ法制成的。外形尺寸也很小，只有6mm×4mm。

　　但只要导入与蓝宝石基板相同的大型制造设备，就有望利用EFG法实现6英寸口径。估计将来能够以1万日元以下的成本实现1块口径6英寸的β-Ga2O3基板。

　　制造时的耗电量也很小

　　β-Ga2O3不仅可降低基板成本，而且还可降低制造时的耗电量及设备成本。比如，据计算，采用EFG法时，制造基板的单位面积耗电量只有升华法的约1/3。

　　制造时耗电量小的原因在于生长速度快，以及结晶生长时温度略低等。β-Ga2O3结晶的生长速度达到SiC的10倍以上。此外，升华法必须在2000℃以上的高温下使结晶生长，而且EFG法只需要1725℃。

　　不仅是基板制造，在基板上形成的处延层也能够以低于SiC及GaN的低温来形成。SiC及GaN的话一般要在1000℃以上的高温下使处延层生长。而β-Ga2O3基板在采用名为“mist CVD法”外延层生长方法时，生长温度可降至不到500℃。由于可降低基板制造和外延层生长时的温度，因此不仅是功率元件本身，连元件制造时的耗电量也可减少。

　　另外，由于不需要像SiC及GaN那样的耐热性高的制造设备，因此还有助于降低设备成本。

　　采用适合用来验证的简单构造

　　为了挖掘β-Ga2O3的这些出色潜能，我们开始对该材料进行研发。第一项成果就是上篇文章中提到的MESFET。尽管是未形成保护膜的非常简单的构造，但耐压却高达257V，且泄漏电流只有5μA/mm（图5）。

　　图5：使用β-Ga2O3试制晶体管

　　试制的β-Ga2O3的MESFET采用圆形电极图案（a）。虽然构造简单，但耐压却高达257V（b、c）

　　MESFET在多种FET中构造最简单、最容易制造，适合用来验证工作性能。

　　此次使用了通过掺杂Mg实施半绝缘化处理的单结晶β-Ga2O3基板。基板尺寸为6mm×4mm。晶面方向利用可将外延生长速度比其他面方向最大提10倍左右的（010）面。

　　在该基板上利用分子束外延（MBE）法形成作为沟道层的n型Ga2O3层。厚度为300nm，为制成n型掺杂了Sn。

　　进行二次离子质谱分析（SIMS）后表明，n型Ga2O3层的Sn浓度达到7×1017cm-3。

　　采用圆形电极

　　β-Ga2O3的绝缘技术还在开发之中，因此此次采用了圆形电极图案。采用该图案时，只会在内侧的源极及与外侧的漏极两电极间产生电场。这时，电流在两电极间完全断开，因此漏极电流不会泄漏到图案外部，无需绝缘。在源区、漏区及栅区的电极中，先形成了源区和漏区的欧姆电极。具体做法是：首先利用光刻技术形成图案；然后利用BCl3/Ar混合气体对相当于光刻后窗口部分的n型Ga2O3薄膜实施“反应性离子蚀刻（RIE）处理；最后，在RIE部分蒸镀Ti（20nm）/Au（230nm），并通过剥离它们来制作源极和漏极。

　　进行RIE处理后，源区与漏区的Ti/Au电极间的电阻值会大幅减小，电流可轻松流过。这是因为，RIE处理使电极间的接触从肖特基接触变为欧姆接触（图6）。

　　图6：通过RIE处理使电流轻松流过

　　通过实施RIE处理，可使电流轻松流过。原因是电极接触特性由肖特基接触变为欧姆接触，电极接触部的电阻值变小。

　　形成源极和漏极后，再次利用光刻技术形成图案，这次不进行RIE处理，而是直接在相当于窗口部分的n型Ga2O3薄膜上蒸镀Pt（15nm）/Ti（5 nm）/Au（250nm）。之后在进行剥离，制成肖特基结的栅极电极。此次试制品的目的只是为了验证工作情况，因此未在元件表面形成保护膜。试制品的栅极长度为4μm，源漏间距为20μm。漏极尺寸为直径200μm。另外，此次试制的晶体管在源极与漏极之间配置有测定时接触探针的栅极焊盘电极部分，因此无法明确定义栅极宽度。不过，以漏极的外周长度作为栅极宽度的话约为600μm。

　　实际耐压超过250V

　　试制品在施加＋2V栅极电压时，最大漏极电流为16mA，漏极电压为40V时，最大跨导为1.4mS（图7）。夹断状态下的漏极电流为3μA，漏极电流的导通/截止比为104左右。在施加栅极电压，并使漏极电流截止的状态下，相当于可施加的最大漏极电压的“三端子截止泄漏耐压”约为250V。

　　图7：试制品的各种电气特性

　　试制品在施加+2V栅极电压时的最大漏极电流为16mA（a）。耐压为257V。夹断状态下的漏极泄漏电流仅为3μA（b）。漏极电压为40V时，最大跨导为1.4mS。

　　此次试制品的所有特性均未达到产品化水平。不过，作为研发初期阶段的非常简单的晶体管来说，已经很出色了。与GaN类MESFET研发的初期阶段（1990年代前半期）相比，也已经实现了同等或以上的成果。此次获得的良好特性源于Ga2O3作为半导体材料的巨大潜力，以及外延层的材料与基板相同（即同型）。

　　其实，实际耐压比250V还要高。该电压是电极金属随着电极间短路而烧焦后的数值。因此，实际能使Ga2O3发生击穿的电压更高。至少可耐压1kV以上。

　　另外，泄漏电流还有望进一步降低，这样就能够提高电流的导通/截止比。此次的泄漏电流并非流过Ga2O3基板内部的电流，而是主要在n型Ga2O3的表面传导的电流。因此，在元件表面形成保护膜的话，便可降低泄漏电流。有望实现达到实用水平的106～107左右。

　　另外，输出电流也可进一步提高，还可常闭工作，很多特性都可达到实用化要求。

　　目标是制造MOSFET

　　使用β-Ga2O3的功率元件的研发现在才刚刚开始。虽然还存在众多课题，如4英寸以上大尺寸基板的制造技术、包括掺杂在内的外延生长技术，以及功率元件的工艺技术等，但目前已看到了解决的希望。

　　要想实现实用化，首先要试制出能够常闭型工作的晶体管。因此，我们开始致力于实际MOSFET产品的制造。

　　制造MOSFET产品时，栅极绝缘膜使用带隙非常大的Al2O3、SiO2等氧化物。由于同为氧化物的缘故，这些氧化物绝缘膜与Ga2O3的界面有望实现低缺陷密度（界面状密度）。我们将力争在2015年之前制造出口径4英寸的基板和MOSFET，并在2020年之前开始作为功率元件开始小规模量产。

　　β-Ga2O3用于高功率LED

　　β-Ga2O3不仅可用于功率元件，而且还可用于LED芯片、各种传感器元件及摄像元件等，应用范围很广。其中，使用GaN类半导体的LED芯片基板是最被看好的用途。尤其值得一提的是，β-Ga2O3具备适合需要大驱动电流的高功率LED的特性。

　　GaN基LED芯片广泛用于蓝色、紫色及紫外等光线波长较短的LED。其中，蓝色LED芯片是作为白色LED的重要基础部件。GaN基蓝色LED芯片现在是在蓝宝石基板上制造。

　　β-Ga2O3基板与蓝宝石基板相比，紫外光及可见光的透射率同为80％，此外其电阻率为0.005Ωcm左右，具有良好的导电性。

　　透射率越高，就越容易将LED芯片发光层发出的光提取到外部，有望提高光输出功率及发光效率。而且，由于导电性高，因此还可采用在LED芯片表面和背面分别形成阳极和阴极的垂直结构。而蓝宝石基板具有绝缘性，因此采用横向配置阳极和阴极的横向结构。

　　垂直结构与横向结构相比，不仅可以降低元件电阻及热阻，而且还可使电流分布均匀化。由于元件电阻及热阻越小，LED芯片的发热量就越少，因此适合驱动电流较大的情况。

　　垂直结构容易使电流分布均匀化，因此即使流过大电流，LED芯片也不易损坏。此外，电流均匀流过LED芯片，还可减轻发光不均现象。因此，与采用横向结构的普通的蓝宝石基板产品相比，β-Ga2O3基板单位面积的光输出功率估计可达到10倍以上。

　　SiC基板也可实现垂直结构，但其成本较高。而采用β-Ga2O3的话，则有望以更低成本来制造基板。

　　SiC基板在元件特性方面也存在问题。SiC基板的蓝色光吸收特性与电阻呈此消彼长的关系。抑制蓝色光的吸收，电阻就会变大。所以元件电阻的降低就会存在极限。

　　光输出功率为市售产品的5倍

　　虽然使用β-Ga2O3基板的GaN基LED芯片目前正在开发之中，但已经获得了一定成果。比如，日本信息通信研究机构（NICT）的研究小组试制出了发光波长为450nm的300μm见方的LED元件。该元件在n型Ga2O3基板上，利用MOCVD法，经由缓冲层层叠了n型GaN层、InGaN/GaN的多重量子阱构造的活性层，以及p型GaN层（图A-1）。在基板侧形成了Ti/Au的n型电极，在另一侧形成了Ag类的p型电极。

　　图A-1：在n型Ga2O3基板上制造的GaN基LED芯片

　　在n型Ga2O3基板上经由缓冲层层叠GaN类半导体，由此制造LED芯片。本图是将p层朝下实施封装的示例。

　　该试制品在驱动电流为1200mA时的光输出功率为170mW（图A-2）。与市售的300μm见方横向结构蓝色LED芯片相比，可实现5倍以上的光输出功率。并且，通过改进发光层及光提取构造等，还有望将光输出功率再提高2倍。

　　图A-2：光输出功率高达170mW

　　试制品在驱动电流为1200mA时的光输出功率为170mW。将来通过改进发光层及光提取构造等，还有望将光输出功率再提高2倍。

　　此外，NICT的研究小组还试制出了元件电阻得以降低的使用β-Ga2O3基板LED芯片。芯片尺寸为300μm见方，驱动电流为200mA时工作电压仅为3.3V（图A-3）。该尺寸的横行结构市售产品在驱动电流为200mA时，工作电压高达4.7V。由于工作电压低，因此能够减少以大电流驱动时的发热量。

　　图A-3：工作电压低

　　芯片尺寸为300μm见方，驱动电流为200mA时工作电压仅为3.3V。

　　热阻降至1/10以下

　　另外，此次试制的LED芯片的热阻很低。通过将LED芯片的p层侧朝下实施封装，便可抑制热阻（图A-1）。使用AuSn作为固晶部分的接合金属，而且LED芯片尺寸为1mm见方时，据推算，活性层至接合金属的热阻合计在0.1℃/W以下，仅为同尺寸的横向结构市售产品的1/10～1/100。

　　而且试制的LED芯片的电流分布也很均匀。为了调查其电流分布情况，研究小组检测了1mm见方LED芯片内部的面内温度分布。结果显示，即使元件温度平均上升70℃，面内温度差最大也只有7℃。

　　如上所述，使用β-Ga2O3基板的LED芯片非常适合大电流用途。在将这种基板用于LED产品方面，NICT的研究小组正以2012年度内推出产品为目标，朝着实用化方向推进开发。