功率器件 | 日本團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)出高品質(zhì)第三代100mm氧化鎵外延片

CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，由日本電子零部件企業(yè)田村製作所和AGC等出資成立的Novell Crystal Technology，與佐賀大學(xué)合作成功開發(fā)出第三代氧化鎵100mm外延片。這次研發(fā)屬于NEDO（日本國(guó)立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)）戰(zhàn)略節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃中, "β-Ga2O3肖特基勢(shì)壘二極管商業(yè)化開發(fā) "項(xiàng)目的一部分。在本次研發(fā)中，外延片制造技術(shù)得到了改進(jìn)，將抑制大電流氧化鎵功率器件發(fā)展的降低擊穿電壓特性的缺陷減少到上一代產(chǎn)品的十分之一。

據(jù)NEDO官網(wǎng)介紹，這一研發(fā)成果將能夠使氧化鎵功率器件被廣泛應(yīng)用于需要100A級(jí)功率器件的市場(chǎng)，如電車、工業(yè)設(shè)備和電動(dòng)汽車等，并有望在實(shí)現(xiàn)碳中和以及節(jié)能方面取得重大進(jìn)展。

圖1 使用第三代β-Ga2O3 100mm外延片制作的肖特基勢(shì)壘二極管樣品

最大芯片尺寸10mm×10mm

1.概述

氧化鎵（β-Ga2O3）作為一種能夠以低成本實(shí)現(xiàn)低功率損耗的功率器件新材料而備受關(guān)注。功率器件在各種電氣設(shè)備中被用于控制電壓和電流，如家用電器、汽車、電車和工業(yè)設(shè)備等。傳統(tǒng)的功率器件一般使用硅制成，但在功率控制過(guò)程中產(chǎn)生的功率損失問(wèn)題一直亟需解決。為降低功率損失，研究人員正在開發(fā)由碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）制成的功率器件，但如果使用β-Ga2O3，則可以進(jìn)一步減少功率損失并降低電氣設(shè)備的功耗。此外，由于可以使用比SiC和GaN更快的制造方法，因此預(yù)期成本會(huì)降低。所以，目前日本及其它國(guó)家都在積極推進(jìn)研發(fā)，以期早日實(shí)現(xiàn)β-Ga2O3功率器件的商業(yè)化。

在這一背景下，Novell Crystal Technology與佐賀大學(xué)在NEDO的戰(zhàn)略節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃下，共同啟動(dòng)了 "β-Ga2O3功率器件 "項(xiàng)目，旨在實(shí)現(xiàn)β-Ga2O3功率器件商業(yè)化。在本次研究中，通過(guò)改進(jìn)β-Ga2O3外延片的制造技術(shù)，研究人員成功地開發(fā)出了第三代β-Ga2O3 100mm外延片，器件擊穿電壓特性的缺陷降低至上一代外延片的十分之一，同時(shí)完成了300A～500A級(jí)的大型氧化鎵肖特基勢(shì)壘二極管的原型樣品制作。這將使β-Ga2O3功率器件能夠被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車等需要100A級(jí)功率器件的市場(chǎng)中。通過(guò)廣泛應(yīng)用這一研究成果，預(yù)計(jì)2030年左右，以原油計(jì)算的節(jié)能效果將超過(guò)10萬(wàn)千升/年，隨著全球節(jié)能化的持續(xù)推進(jìn)，預(yù)計(jì)2050年左右將在碳中和方面取得重大成效。

2.本次研究成果

Novell Crystal Technology之前已經(jīng)開發(fā)出了將β-Ga2O3外延片放大到100mm的外延成膜設(shè)備，并已將其用于第二代β-Ga2O3100mm外延片進(jìn)行生產(chǎn)和銷售。然而，在第二代100mm外延片中，幾乎每平方厘米含有大約10個(gè)缺陷，這些缺陷降低了器件的擊穿電壓特性，使其無(wú)法用于制造大型器件，并將電流值限制在10A左右。為了解決這一問(wèn)題，Novell Crystal Technology在與佐賀大學(xué)的聯(lián)合研究中發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生缺陷主要原因是由外延式沉積成膜過(guò)程中產(chǎn)生的一種特定粉末造成的。之后，通過(guò)改善成膜條件，成功制造出了第三代β-Ga2O3100mm外延片，缺陷降低到0.7個(gè)／cm2，不到上一代產(chǎn)品的十分之一。

[1] 驗(yàn)證薄膜厚度和供體濃度的面內(nèi)分布

首先，研究小組調(diào)查了在改進(jìn)條件下制造的第三代β-Ga2O3100mm外延片的薄膜厚度和供體濃度的分布。用于功率器件的外延片不僅是缺陷密度，還在薄膜厚度和供體濃度方面要求具有高度的均勻性。在外延片上的9個(gè)點(diǎn)測(cè)量的薄膜厚度分布和供體濃度分布被發(fā)現(xiàn)差額非常小，分別約為10μm±5%和1×1016cm -3±7%，這對(duì)功率器件來(lái)說(shuō)已經(jīng)不成為問(wèn)題，并且改進(jìn)到了第二代外延片的大約七分之一。

圖2  第三代β-Ga2O3100mm外延片的（a）薄膜厚度分布和（b）供體濃度分布

[2] 驗(yàn)證缺陷密度

接下來(lái)，研究小組以此外延片為基礎(chǔ)，制造了一個(gè)β-Ga2O3肖特基勢(shì)壘二極管的原型，并對(duì)其電性能和缺陷密度進(jìn)行了評(píng)估。在圖1所示的晶圓表面的多個(gè)電極圖案中，最大的是本次評(píng)估中使用的10mm×10mm的β-Ga2O3肖特基勢(shì)壘二極管。這些二極管的電流-電壓特性如圖3所示。觀察圖3(a)中的正向特性，電流在0.8V左右開始流動(dòng)，并上升到一個(gè)恒定的水平，表明已經(jīng)獲得了正常的正向特性。最大的電流值是50A，但這是由于用于測(cè)量的設(shè)備（探測(cè)儀）的限制，此設(shè)備最大可以流過(guò)300A～500A的電流。接下來(lái)，觀察圖3(b)中的反向特性，即使施加約200V的電壓，漏電流也能被抑制到約10-7A。據(jù)估測(cè)，通過(guò)在該設(shè)備上增設(shè)一個(gè)電極終端結(jié)構(gòu)，預(yù)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)600V～1200V的耐擊穿電壓。

10mm×10mm的β-Ga2O3肖特基勢(shì)壘二極管原型的逆向特性良好率為51%，從該值和本次實(shí)驗(yàn)中使用的電極尺寸來(lái)看，可推測(cè)缺陷密度約為0.7個(gè)／cm2。這表明在制造100A級(jí)β-Ga2O3功率器件時(shí)，成品率可達(dá)80%。

圖3  肖特基勢(shì)壘二極管的（a）正向和（b）逆向的電流-電壓特性

3.未來(lái)計(jì)劃

NovellCrystal Technology將為新開發(fā)的第三代β-Ga2O3100mm外延片建立生產(chǎn)線并盡快啟動(dòng)銷售。今后，將努力擴(kuò)大供體濃度和薄膜厚度的指定范圍，同時(shí)進(jìn)一步減少缺陷和實(shí)現(xiàn)晶圓的大口徑化。在NEDO的項(xiàng)目中，Novell Crystal Technology已經(jīng)成功地實(shí)際驗(yàn)證了引入溝槽結(jié)構(gòu)的1200V耐壓功率的低損耗β-Ga2O3肖特基勢(shì)壘二極管。今后，將繼續(xù)推進(jìn)開發(fā)該產(chǎn)品時(shí)構(gòu)建的1200V耐壓溝槽型肖特基勢(shì)壘二極管的量產(chǎn)技術(shù)。