氧化镓：挑战传统的宽禁带半导体材料

——————Masataka Higashiwaki, 日本国家信息与通讯技术研究所（NICT） 

采用Ga₂O₃材料的晶体管相比GaN与SiC基器件而言，电场强度要高得多，而且Ga₂O₃同质衬底的生产成本较低、方法也相对简单。因此具有巨大的潜力。

为了确保稳定的能源供应，在不远的将来有两方面的技术需要得到发展：其一是替代化石燃料的革命性技术的广泛使用；其二，更多采用能耗更低的产品，同时这也能减少温室气体的排放。

实现上述第二个目标的渠道之一就是使用效率更高的功率电子器件。因为宽禁带半导体材料相比硅材料具有更优异的材料性能，例如更高的击穿电压与更低的功率损耗，所以有必要在二者之间进行替代。

功率电子器件所使用的最成熟、最有前景的两种材料是GaN和SiC，但是它们在大规模量产时都面临着巨大的障碍。在理想情况下， 器件都需要使用廉价的同质衬底，但对GaN和SiC来说，简单廉价的方法非常困难。目前，生产GaN衬底材料的技术让功率电子器件的商业化应用望而却步，而SiC虽然幸免如此，但成本也高的吓人，且材料质量也不尽人意。

而Ga₂O₃却是一直以来被忽略的宽禁带半导体替代材料，且有广阔的发展前景。因其带隙比SiC和GaN还要大，所以相比而言，电子器件的击穿电压与效率都会更高。而且，Ga₂O₃单晶衬底的生产可采用生产蓝宝石衬底同样的工艺，适合于低成本的大批量生产。而目前在GaN基LED产业中，蓝宝石衬底的成本已经很低，并且数量上已经超越了硅衬底，所以，Ga₂O₃衬底也会步其后尘、一片坦途。

为了促使Ga₂O₃功率器件的愿景走向现实，自2010年以来，我一直与京都大学、东京工业大学以及Tamura和Koha公司合作，而且我们的团队已经开发出了几项基本性的技术，并取得了若干进展，包括世界上首个Ga₂O₃晶体管原型器件。

氧化镓的特性

Ga₂O₃有很多结构，到目前已确认报道的有5种不同的多形体结构，分别标为α、ß、γ、δ与ε，其中ß结构最稳定，而其他4种为亚稳定态。因为关于Ga₂O₃方面的研究仍处于早期阶段，有关的晶体生长与材料特性的数据不是很多，且针对的都是ß结构。该多型体结构具有几个特点：带隙宽度达到难以置信的4.8~4.9eV，可以通过掺杂锡与硅、在10¹⁶~10¹⁹cm^-3之间控制n型电导率。但是，截止目前还没有有关p型Ga₂O₃薄膜的空穴导电性数据。

因ß结构Ga₂O₃的带隙较SiC和GaN还要大，因此它具备生产性能优异器件的潜力，例如高击穿电压、高功率以及高效率器件。（在表1中，就功率器件所应用的几种常见半导体材料和ß- Ga₂O₃进行了对比）。

表1. 就击穿电场和Baliga优值（Figure of Merit）数据而言,Ga2O3要比其他常见 材料优良。

ß-Ga₂O₃的优异特性表明该宽禁带半导体材料的击穿电场达8MV/cm，是GaN和SiC的三倍。作为表征一种材料适合功率器件程度的基本参数，Baliga优值对击穿电场的依赖性比迁移率要高的多，所以高的电场强度是Ga₂O₃的获胜王牌。此优值与击穿电场的三次方成正比，但对迁移率只是线性关系。

在击穿电压的范围内，可用半导体的材料特征参数来计算导通电阻的理论极限（如图1），这说明，在相同的击穿电压下，Ga₂O₃基器件的导通电阻比SiC与GaN基器件要低1个数量级。

图1:  ß- Ga₂O₃的击穿电压与导通电阻具有突出的优势

同质衬底

为了发挥出Ga₂O₃器件的潜力，首先需要开发出同质衬底材料。制备GaN、SiC体单晶衬底一般采用升华法、气相外延法和高压合成法，成本很高、能效很低；与此形成鲜明对比的是，大尺寸的单晶Ga₂O₃衬底可以低成本的熔体工艺生产，而且耗能也不大。

我们的两个合作成员单位Tamura公司和Koha公司，已经成功地开发出2英寸ß- Ga₂O₃单晶衬底的熔体法生产工艺，也即众所周知的导膜生长法（Edge-defined Film-Fed Growth,EFG）。该方法已经被用于生产蓝宝石衬底，而同样配置的系统就可以制造Ga₂O₃衬底。

除此之外，熔体法还有更多吸引人的优点。原则上Ga₂O₃熔体法生长不会产生微孔缺陷，而这一点对生产SiC衬底所采用的升华法来说，却一直是一个瓶颈。而且，与升华法不同，熔体生长不需要高压环境。其中最大的优点是，EFG法的衬底尺寸仅仅受制于生产设备，升级到大尺寸只需放大设备即可。

生产Ga₂O₃衬底的成本可以降到很低。我们估计，量产型系统可以120美元的单位成本生产6吋的高品质衬底。相比SiC的升华法来说，该高效的工艺温度低、生长速率高，可使衬底单位面积的生产能耗降低为前者的1/3。

图2: 采用生产蓝宝石衬底的熔体法所制备的2寸Ga₂O₃衬底。

器件制备

最近，采用单晶ß- Ga₂O₃（010）衬底，我们率先成功地制备了单沟道Ga₂O₃场效应管，这些金属-半导体场效应管（MESFET）器件仅仅只是简单的功能验证性器件。当然，这并非首个氧化物器件。曾经有几年时间，作为透明的晶体管材料诸如InGaZnO₄（IGZO）与ZnO的氧化物半导体受到显示行业的关注，但是它们都是非晶和/或多晶材料，并不适用于高功率器件。为了制备Ga₂O₃基器件，我们在同质衬底上使用MBE工艺沉积了掺锡的n型Ga₂O₃沟道层，其中镓源与锡源采用传统的Knudsen分子束源、氧源由5%的臭氧和95%的氧气构成。

因为没有使用器件隔离技术，所以我们采用了环形场效应管的芯片结构（如图3）。采用BCl3与氩气反应离子刻蚀法以及蒸镀Ti/Au的方法形成欧姆接触，之后又沉积Pt/Ti/Au的栅极并进行剥离。从而制成了MESFET，没有表面钝化，栅长为4微米、源漏间距为20微米。漏极的内圈电极直径为200微米。

图3: （a）n- Ga₂O₃ MESFET结构的截面图示; （b）器件的光学显微图示。

我们的一颗圆环形 Ga₂O₃基MESFET直流输出特征曲线如图4所示，其中最大漏电流密度达25mA/mm、并且预夹断出色。在断态下进行三端击穿电压的破坏性测试，结果栅极被击穿、电压为250V，漏极偏压为40V时的跨导最高达2.3mS/mm。

图4:  n- Ga₂O₃ MESFET的输出特征曲线。

上述MESFET的其他前景广阔的特征还包括：断态的漏极漏电电流只有5μA/mm，且漏极的开/关电流比可达10000。大部分的漏电电流与栅电极的面积大有关（如图3b），而栅极插指结构的漏电流要比上述数值至少低1个数量级。断态时的漏极电流与栅极漏电电流相当，这说明透过半绝缘衬底的漏电微乎其微。因此，只需优化调整器件的设计就可进一步降低断态电流。