中国电科在4英寸氧化镓单晶上去的技术突破

从中国电子科技集团有限公司获悉，近日，中国电科46所经过多年氧化镓晶体生长技术探索，通过改进热场结构、优化生长气氛和晶体生长工艺，有效解决了晶体生长过程中原料分解、多晶形成、晶体开裂等问题，采用导模法成功制备出高质量的4英寸氧化镓单晶。 

据介绍，氧化镓是一种新型超宽禁带半导体材料，适用于制造高电流密度的功率器件、紫外探测器、发光二极管等。但由于氧化镓属于单斜晶系，具有高熔点、高温分解以及易开裂的特性，因此，大尺寸氧化镓单晶制备极为困难。 

中国电科46所制备的氧化镓单晶的宽度接近100mm，总长度达到250mm，可加工出4英寸晶圆、3英寸晶圆和2英寸晶圆。经测试，晶体具有很好的结晶质量，将为国内相关器件的研制提供有力支撑。 

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。