氧化鎵器件，高壓電力電子的未來之星

超寬帶隙(UWBG)半導(dǎo)體相比si和寬帶隙材料如SiC和GaN具有更優(yōu)越的固有材料特性。在不同的UWBG材料中，氧化鎵正逐漸展現(xiàn)出其在高壓電力電子領(lǐng)域的未來應(yīng)用潛力。本文總結(jié)了氧化鎵材料的一些固有特性，并展示了近期在高壓器件方面的一些進(jìn)展。

氧化鎵的固有材料特性

氧化鎵的β相(β-Ga2O3)已成為評(píng)估UWBG材料選擇的關(guān)鍵候選。多個(gè)因素促成了這一點(diǎn)。表1列出了硅、碳化硅、氮化鎵和β-Ga2O3的一些基本材料特性。

β-Ga2O3的高帶隙和電場(chǎng)強(qiáng)度是其兩大優(yōu)勢(shì)。這使得在高壓電力器件中能更有效地進(jìn)行器件縮放，并能同時(shí)改善導(dǎo)通和開關(guān)損耗的指標(biāo)。

表1中所示的理想Baliga優(yōu)值(BFOM)通常用于描述導(dǎo)通態(tài)電阻損耗與擊穿場(chǎng)之間的權(quán)衡。然而，這并未包括兩個(gè)重要因素：

摻雜劑的不完全電離；襯底中的背景雜質(zhì)

淺摻雜劑的可獲得性是接近理論BFOM極限實(shí)現(xiàn)性能的關(guān)鍵。然而，UWBG材料可能缺乏此類摻雜劑。以氮化鋁(AlN)和鉆石為例，高摻雜劑電離能使得在室溫下有效實(shí)現(xiàn)高水平的激活摻雜劑變得困難，導(dǎo)致電導(dǎo)率低。幸運(yùn)的是，β-Ga2O3擁有淺的n型施主摻雜劑(錫、硅)。

帶隙內(nèi)的雜質(zhì)態(tài)可以進(jìn)一步補(bǔ)償摻雜劑密度并降低器件性能，與硅相比，UWBG材料中的雜質(zhì)水平可以高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。AlN和鉆石都受到此影響，背景濃度可達(dá)1e16/cm3范圍。在寬帶隙材料中，氮化鎵的背景濃度也相對(duì)較差，超過1e15/cm3。β-Ga2O3在此方面再次具有優(yōu)勢(shì)，通過外延和襯底生長的進(jìn)展，背景電荷濃度低于1e15/cm3。

低背景摻雜和高帶隙的重要性的一個(gè)好例子是額定6.5 kV的硅IGBT，需要最小阻斷電壓厚度為220 μm，背景雜質(zhì)低于4e13/cm3，這難以實(shí)現(xiàn)，并且無論如何都會(huì)導(dǎo)致非常高的RDS(on)，而β-Ga2O3只需要8 μm厚的阻斷層，凈摻雜濃度為3e16/cm3。

考慮上述效應(yīng)的修正BFOM比較如圖1所示。這些圖顯示了β-Ga2O3在高于1 kV電壓額定值時(shí)相對(duì)于其他材料的優(yōu)勢(shì)。

襯底生長

通過熔融生長，可以以相對(duì)較低的成本制造高質(zhì)量的β-Ga2O3襯底，類似于硅。這是與碳化硅等寬帶隙材料相比的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，后者需要使用昂貴的升華方法。例如，日本Novel Crystal Technology公司正在生產(chǎn)100 mm的β-Ga2O3襯底。

β-Ga2O3高壓器件

現(xiàn)在讓我們看看Singisetti團(tuán)隊(duì)和其他人在創(chuàng)建β-Ga2O3高壓電力器件方面所做的一些工作。已經(jīng)使用了幾種原子層沉積(ALD)電介質(zhì)作為柵極電介質(zhì)來創(chuàng)建橫向n溝道MOSFET器件。二氧化硅(SiO2)是一個(gè)有前途的候選，具有大的導(dǎo)帶偏移和室溫下的低界面態(tài)。

最初創(chuàng)建的MOSFET在溝道區(qū)域外顯示出擊穿。故障分析指向柵極場(chǎng)板(GFP)區(qū)域上方的空氣中高場(chǎng)。使用復(fù)合場(chǎng)板電介質(zhì)(包括PECVD和ALD SiO2)，凹陷的MBE生長溝道和GFP上方的高場(chǎng)強(qiáng)度環(huán)氧聚合物(SU-8)鈍化膜，導(dǎo)致在橫向MOSFET中報(bào)告的最高擊穿電壓(BV)超過8 kV。

這項(xiàng)工作表明，場(chǎng)管理技術(shù)至關(guān)重要。該器件的橫截面示意圖和BV曲線如圖2所示。

這些器件仍然受到相對(duì)較差的RDS(on)的困擾。發(fā)現(xiàn)真空退火后RIE蝕刻產(chǎn)生的損傷恢復(fù)并改善了RDS(on)，而不影響B(tài)V。

具有肖特基柵的MESFET器件顯示出潛力。使用氮化硅鈍化電介質(zhì)，已經(jīng)展示了4.4 kV的MOSFET，其功率FOM(PFOM = BV2 ÷ RDS(on))超過100 MV/cm2，特定RDS(on) ≈ 20 Ω-mm2。

雖然這個(gè)PFOM遠(yuǎn)優(yōu)于理論上可實(shí)現(xiàn)的硅數(shù)值，但仍遠(yuǎn)低于β-Ga2O3的理論極限。使用改進(jìn)的外延生長技術(shù)和FINFET MESFET結(jié)構(gòu)已經(jīng)展示了184 cm2/V-s的電子遷移率。這種4.4 kV的器件，使用25個(gè)1.2至1.5 μm的鰭寬，實(shí)現(xiàn)了0.95 GW/cm2的記錄PFOM。

高溫操作

如表1所示，β-Ga2O3的熱導(dǎo)率較差。這可能會(huì)在高功率應(yīng)用中對(duì)冷卻要求造成負(fù)擔(dān)。然而，一些固有優(yōu)勢(shì)幫助β-Ga2O3在高溫下表現(xiàn)良好。極低的本征載流子密度和其他因素的組合使得能夠?qū)崿F(xiàn)低熱退化系數(shù)。與氮化鎵相比，其RDS(on)在125°C時(shí)可能是25°C時(shí)的兩倍以上，β-Ga2O3的RDS(on)隨溫度變化，變化不大。

SBD在600 K下運(yùn)行，并在500 V下從300 K到500 K的反向泄漏電流增加了十倍，相比之下，垂直氮化鎵和碳化硅SBD在類似額定值下的增加至少是百倍。MESFET在測(cè)量到的500°C下運(yùn)行。這些例子展示了β-Ga2O3器件在高溫高壓操作中的潛在用途。

還進(jìn)行了改進(jìn)封裝以降低熱阻的工作。使用雙面封裝的大面積(4.6 × 4.6 mm)β-Ga2O3垂直SBD器件，額定電流為15 A，在芯片兩側(cè)使用銀燒結(jié)。頂部陽極結(jié)至環(huán)境的熱阻測(cè)量為0.5 K/W，低于類似額定值的碳化硅SBD。這項(xiàng)和其他涉及將襯底厚度減至低于100 μm的工作強(qiáng)調(diào)，低熱導(dǎo)率不一定是高壓高功率應(yīng)用的障礙。

使用異質(zhì)結(jié)/超結(jié)創(chuàng)建雙極器件

由于缺乏淺受體和強(qiáng)自陷孔，β-Ga2O3的p摻雜困難。使用n摻雜β-Ga2O3與p摻雜鎳氧化物的異質(zhì)結(jié)和超結(jié)器件已成功展示為二極管和MOSFET。這兩種材料之間成功創(chuàng)建了高質(zhì)量界面，并實(shí)現(xiàn)了良好的器件性能，創(chuàng)造了p-n結(jié)的優(yōu)勢(shì)，包括雪崩和浪涌能力，這在許多電力系統(tǒng)應(yīng)用中是一個(gè)關(guān)鍵的魯棒性標(biāo)準(zhǔn)。