【国际时事】世界首次氧化镓反型DI-MOS晶体管取得重大进展

      株式会社NCT（总部：埼玉县狭山市、社长：仓又郎人）在防卫装备厅安全保障技术研究推进制度（JP004596）【反型层MOS沟道型氧化镓晶体管的研究开发 】中，开发了具有阈值电压高至6V的1kV高压氧化镓反型层双注入型MOS晶体管（DI-MOSFET）基本原型。这一成果是氧化镓（β-Ga₂O₃）的世界首例突破性进展，具有划时代意义。

      这一开发成果将极大地推动中高压（0.6-10kV）氧化镓晶体管的发展，这将使电力电子技术的价格降低，提高性能。在未来，该技术可以使电力电子设备电源转换效率提高，让如光伏发电的功率转换器、工业通用变频器等器件小型化，从而促进汽车的电动化、飞行汽车等发展。本次成果详细的报告将在2022年9月21日举行的第83届应用物理学会秋季会议【宽禁带半导体MOS界面科学的最前线】研讨会上公布。

1、概要

      作为硅的高性能替代品材料氧化镓（β-Ga₂O₃）^※1与同样正在进行开发的碳化硅（SiC）^※2和氮化镓（GaN）^※3相比，具有优异的材料物性和低成本的晶体生长方法等优点，能够生产出低损耗和低成本的功率器件^※4。氧化镓预计将被广泛应用于电力电子设备，包括家电、电动汽车、轨道车辆、工业设备、太阳能和风能发电等领域。此外，因为它能使为可搭载其器件的电气设备更加小型化、提高能源使用效率，国内外公司和研究机构正在加速研究和开发。

      株式会社NCT从2019年开始一直致力于β-Ga₂O₃晶体管商品化，受到防卫装备厅安全保障技术研究推进制度【10kV级氧化镓沟槽MOSFET的研究与开发 】、【反型层MOS沟道型氧化镓晶体管的研究开发】项目支持下，目前在世界首次，通过离子注入受主杂质^※5氮（N）^※6，激活热处理^※7工艺、在阱层^※8添加高电阻率的Ga₂O₃层，实现了击穿电压高达1kV，具有足够高阈值电压^※9 6.6V的氧化镓反型双注入型MOS晶体管（DI-MOSFET）^※10的器件原型。本次开发成果将极大地推动中高压（0.6-10kV）氧化镓晶体管的开发，实现电力电子技术的低价格化、高性能化。

2、本次的成果

      到目前为止，NEDO（日本新能源产业的技术综合开发机构）的β-Ga₂O₃晶体管因为p型导电层^※11技术尚未成熟，使用的是不需要p型层的Fin结构^※12。然而，Fin结构需要0.4μm以下的微观结构，并需要很好尺寸控制。因此，使用步进光刻机^※13和干式蚀刻设备^※14在4英寸和6英寸生产线上进行量产时，很难制造出电流为几十A、具有几mm见方的芯片 尺寸的大型器件，成品率不高。

      对此，NCT一直在进行反型MOS沟道结构的开发，该结构尺寸可以使用传统的步进光刻机和干式蚀刻设备制造，具有比较好的量产生产可行性。本次研究中，我们用离子注入受主杂质的氮（N），通过活性化热处理工艺、在well层添加高电阻率的Ga₂O₃层来代替技术层面尚不成熟的β-Ga₂O₃ p型导电层。用于评估迁移率而制造的长通道（L_CH=100μm）平面晶体管实现了6.2V的高阈值电压，显示了Fin结构无法取得的优势；与SiC相比，MOS沟道迁移率更高，达到52cm²/Vs（图1）。

      此外，使用该工艺制造的反型DI-MOS晶体管（图2），在N⁺离子注入浓度为1X18 cm^-3时， 阈值电压达6.6 V。而当N⁺离子注入浓度增加到3X18 cm^-3以上时，确认了关断电压可达1.1kV（图3）。这项研究表明，N⁺离子注入过的高电阻率β-Ga₂O₃层可以作为p型导电层，也可以作为阈值电压控制层和电流阻断层。另外，本次试做的DI-MOSFET沟道长度^※15为 10μm，导通电阻还较高，达153 mΩcm²，但我们期望通过步进式光刻设备使元件小型化来实现低于10 mΩcm²的特性。新开发的DI-MOSFET器件和工艺能够使用4-6英寸的量产线开发大尺寸元件，将会很大程度上推动低功耗Ga₂O₃功率晶体管的开发。

3、未来计划

      NCT将继续借助本次防卫装备厅的委托项目，在成功制作原型反型MOS晶体管中基础上，探究N掺杂β-Ga₂O₃高电阻层的特性和机理。此外，我们将在一条4英寸的量产代工线上依次进行器件开发、改善器件特性，调试制造工艺、确保可靠性等研发工作，目标在2025年实现产品的实用化。我们还将继续开发全Ga₂O₃功率模块，将之前已经商业化氧化镓肖特基势垒二极管（SBD）^※16和与新型MOS器件相结合。

      预计此成果将适用于中高耐压高速晶体管、高速二极管的市场，市场规模预期在2025年将扩大到79亿日元，2030年达到470亿日元（引自富士经济《2022年版下一代功率器件和电力电子相关设备市场的现状和未来展望》）。NCT将用β-Ga₂O₃晶体管、SBD和全β-Ga₂O₃组件进入市场，为节能型社会作出贡献。

■ 术语解释

※1  氧化镓（β-Ga₂O₃）

Gallium Oxide， 镓和氧的化合物，是宽禁带半导体之一。

※2  碳化硅（SiC）

Silicon Carbide，硅和氧的化合物，是宽禁带半导体之一。

※3  氮化镓(GaN)

Gallium Nitride，镓和氮的化合物，是宽禁带半导体之一。

※4  功率器件

能够控制高电压和大电流的半导体元件，用于电源转换设备，如逆变器。

※5  受主杂质

半导体中的杂质，捕获电子并带负电。 一般来说，电子的捕获会在半导体中产生空穴，使其成为p型半导体。

※6离子注入

这是在半导体中形成掺杂的技术之一。 掺杂原子在几十到几百kV的电压下被电离和加速并被注入到半导体中。

※7  激活热处理

热处理，以恢复离子注入过程中对半导体造成的损伤，并促进注入杂质的电活性。通常使用的温度为600-1200℃。

※8  well层

晶体管中源极和漏极之间的电流由栅极控制的那一层。

※9  阈值电压

在晶体管中电流开始流动时的栅极电压。

※10  反型双注入式MOS晶体管（DI-MOSFET）

MOS场效应晶体管是通过将两种类型的掺杂，形成n型层和p型（高电阻）层，分两次离子注入所需区域而形成。在反型层中，当正电压施加到栅极时，电子在电介质/p型（高电阻）层界面上聚集，电流流动。

※11  p型导电层

一种半导体层，其中导电半导体中的载流子是空穴而不是电子。

※12  Fin结构

栅极位于沟道两侧或环绕沟道形成双栅结构，因其形状像Fin（鱼鳍）而被称为Fin结构。

※13  步进光刻机

具有缩微投影功能的曝光系统，被广泛用于半导体量产线。

※14  干式蚀刻设备

通过在真空中释放反应性气体，从而对绝缘薄膜和半导体材料进行微加工的设备。

※15  沟道长度

晶体管中由栅极控制区域的电流方向长度。

※16  肖特基势垒二极管（SBD）

利用了肖特基势垒整流特性的二极管。当半导体和金属结合在一起时，电流只向一个方向流动；与PN结二极管相比，肖特基势垒二极管具有低开关损耗的优势。

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