【国际时事】高压氧化镓器件前景广阔

        较高的禁带宽度和电场强度是β-Ga₂O₃的两大优势，这使得高压功率器件的扩展更为有效，从而改善了传导损耗和开关损耗的指标。表1所示的理想Baliga优值(BFOM)通常用于描述导通电阻损耗和击穿场之间的平衡。然而，这并没有包括两个重要的因素:

1、掺杂剂电离不完全

2、衬底中的背景杂质

        浅层掺杂剂的可用性是实现接近BFOM理论极限性能的关键因素。然而，UWBG材料可能会因缺乏此类掺杂剂而受到影响。就氮化铝（AlN）和金刚石而言，由于掺杂剂电离能较高，因此很难有效实现高水平的活化掺杂剂，特别是在室温温度下。这就导致了低导电性。幸运的是，β-Ga₂O₃具有浅的n型施主掺杂剂(锡、硅)。

        带隙内的杂质态可进一步补偿掺杂密度并降低器件性能。与硅相比，UWBG 材料中的杂质含量可能要高出几个数量级。AlN和金刚石都受到这种影响，其背景浓度射程可以达到1e16/cm³。在WBG材料中，GaN的背景浓度也相对较低，超过1e15/cm³。β-Ga₂O₃在这方面同样具有优势，外延和衬底生长的进展导致背景电荷浓度低于1e15/cm³。一个很好的例子说明了低背景掺杂和高带隙的重要性，额定电压为6.5 kV的硅IGBT需要最小阻断电压厚度为220µm，背景杂质低于4e13/cm³，这是很难实现的，并且无论如何都会导致非常高的R_DS(on)，而β-Ga₂O₃只需要8µm厚的阻挡层，净掺杂浓度为3e16/cm³。

        考虑到上述影响的修正 BFOM 比较结果如图 1 所示。图表显示了β-Ga₂O₃相对于其他材料的优势，尤其是在额定电压超过 1 kV 时。

图1:考虑掺杂活化和背景杂质的改进BFOM指标的比较: （a）显示传导损耗指标，（b）显示开关损耗指标。(资料来源：Zhang, Y. & Speck, J., 2020）

衬底生长

        通过类似硅的熔融生长技术，可以以相对较低的成本获得高质量的 β-Ga₂O₃ 衬底。与需要使用昂贵的升华方法的WBG材料(如SiC)相比，这是一个关键优势，后者需要使用昂贵的升华方法。日本的Novel Crystal Technology 就是一家生产100mm β-Ga₂O₃ 衬底的公司。

β-Ga₂O₃ 高压器件

        转过头来看Singisetti的团队和其他团队在制造 β-Ga₂O₃ 高压功率器件方面所做的一些工作。几种原子层沉积(ALD)电介质已被用作栅介质来创建横向 n 沟道MOSFET器件。二氧化硅(SiO₂) 在室温下具有较大的导带偏移和较低的界面态，是一种很有前途的候选材料。最初制造的 MOSFET 在沟道区域外出现击穿。失效分析表明，在栅极场板(GFP)区域上方的空气中存在高场。通过使用复合场极板电介质(包括PECVD 和 ALD SiO₂)，凹陷的 MBE 生长沟道和 GFP 上面的高场强度环氧聚合物 (SU-8) 钝化膜，在横向 MOSFET 中实现了超过 8 kV 的最高击穿电压 (BV)。这项工作表明，场管理技术至关重要。图 2 显示了该器件的横截面示意图和击穿电压曲线。

图2:β-Ga₂O₃ MOSFET 的截面图和 BV 曲线(资料来源：Sharma, S. & Singisetti, U., 2020)

        这些器件的 R_DS（on）仍然相对较差。研究发现，RIE 蚀刻后的真空退火可以恢复损伤，改善 R_DS(on)，而不影响 BV。

        采用肖特基栅极的 MESFET 器件前景广阔。使用硅氮化物钝化电介质的4.4 kV MOSFET展示了超过100 MV/cm²的功率FOM (PFOM=BV²÷R_DS(on)DS(on)) 和特定R_DS(on) ≈ 20 Ω-mm²。虽然这种PFOM比硅理论上可实现的数值要好得多，但仍远低于β-Ga₂O₃的理论极限。使用改进的外延生长技术和FINFET MESFET结构，电子迁移率达到184 cm²/V-s。这个4.4 kV的器件，使用25个宽度为1.2到1.5 µm的鳍片，达到了创纪录的 0.95 GW/cm²的PFOM。

高温作业

        如表1所示，β-Ga₂O₃导热性较差。这可能会对大功率应用的冷却要求带来负担。然而，一些固有的优势有助于β-Ga₂O₃在高温下的良好表现。极低的固有载流子密度和其他因素的综合作用使β-Ga₂O₃具有较低的热降解系数。与GaN相比，β-Ga₂O₃在125°C时的R_DS(on)可能是25°C时的2倍以上，而β-Ga₂O₃的R_DS(on)随温度变化很小。

        SBD 的工作温度为 600 K，在 500 V 电压下，从 300 K 到 500 K 的反向漏电流增加了 10 倍，而在类似额定电压下，垂直 GaN 和 SiC SBD 的反向漏电流增加了至少 100 倍。MESFET 的工作温度为 500°C。这些例子证明了β-Ga₂O₃器件在高温高压工作中的潜在用途。

        为减少热阻，还对封装进行了改进。使用了双面封装的大面积（4.6 × 4.6 mm）β-Ga₂O₃ 垂直 SBD 器件，额定电流为 15 A， 芯片两面均有银烧结。经测量，顶部阳极结-环境热阻为 0.5 K/W，低于类似额定值的碳化硅 SBD。这项工作以及其他将基底减薄至 100 μm以下的工作表明，在高压、大功率应用中，低热导率并不一定会成为阻碍因素。

利用异质结/超结制造双极器件

        由于缺乏浅层受体和空穴的强烈自俘获，β-Ga₂O₃ 的 p 掺杂非常困难。使用正掺杂β-Ga₂O₃和p-掺杂氧化镍的异质结和超结器件已被成功地演示为二极管和MOSFET。在这两种材料之间成功创建了高质量的界面，并实现了良好的器件性能，创造了 p-n 结的优势，包括雪崩和浪涌能力，这在许多电力系统应用中是一个重要的稳健性标准。