CINNO Research产业资讯,由日本电子零部件企業田村製作所和AGC等出资成立的Novell Crystal Technology,与佐贺大学合作成功开发出第三代氧化镓100mm外延片。这次研发属于NEDO(日本国立产业技术综合开发机构)战略节能技术创新计划中, "β-Ga2O3肖特基势垒二极管商业化开发 "项目的一部分。在本次研发中,外延片制造技术得到了改进,将抑制大电流氧化镓功率器件发展的降低击穿电压特性的缺陷减少到上一代产品的十分之一。

 

 

据NEDO官网介绍,这一研发成果将能够使氧化镓功率器件被广泛应用于需要100A级功率器件的市场,如电车、工业设备和电动汽车等,并有望在实现碳中和以及节能方面取得重大进展。

 

图1 使用第三代β-Ga2O3 100mm外延片制作的肖特基势垒二极管样品

最大芯片尺寸10mm×10mm

 

1.概述

 

氧化镓(β-Ga2O3)作为一种能够以低成本实现低功率损耗的功率器件新材料而备受关注。功率器件在各种电气设备中被用于控制电压和电流,如家用电器、汽车、电车和工业设备等。传统的功率器件一般使用硅制成,但在功率控制过程中产生的功率损失问题一直亟需解决。为降低功率损失,研究人员正在开发由碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)制成的功率器件,但如果使用β-Ga2O3,则可以进一步减少功率损失并降低电气设备的功耗。此外,由于可以使用比SiC和GaN更快的制造方法,因此预期成本会降低。所以,目前日本及其它国家都在积极推进研发,以期早日实现β-Ga2O3功率器件的商业化。

 

在这一背景下,Novell Crystal Technology与佐贺大学在NEDO的战略节能技术创新计划下,共同启动了 "β-Ga2O3功率器件 "项目,旨在实现β-Ga2O3功率器件商业化。在本次研究中,通过改进β-Ga2O3外延片的制造技术,研究人员成功地开发出了第三代β-Ga2O3 100mm外延片,器件击穿电压特性的缺陷降低至上一代外延片的十分之一,同时完成了300A~500A级的大型氧化镓肖特基势垒二极管的原型样品制作。这将使β-Ga2O3功率器件能够被广泛应用于电动汽车等需要100A级功率器件的市场中。通过广泛应用这一研究成果,预计2030年左右,以原油计算的节能效果将超过10万千升/年,随着全球节能化的持续推进,预计2050年左右将在碳中和方面取得重大成效。

 

2.本次研究成果

 

Novell Crystal Technology之前已经开发出了将β-Ga2O3外延片放大到100mm的外延成膜设备,并已将其用于第二代β-Ga2O3100mm外延片进行生产和销售。然而,在第二代100mm外延片中,几乎每平方厘米含有大约10个缺陷,这些缺陷降低了器件的击穿电压特性,使其无法用于制造大型器件,并将电流值限制在10A左右。为了解决这一问题,Novell Crystal Technology在与佐贺大学的联合研究中发现,产生缺陷主要原因是由外延式沉积成膜过程中产生的一种特定粉末造成的。之后,通过改善成膜条件,成功制造出了第三代β-Ga2O3100mm外延片,缺陷降低到0.7个/cm2,不到上一代产品的十分之一。

 

[1] 验证薄膜厚度和供体浓度的面内分布

 

首先,研究小组调查了在改进条件下制造的第三代β-Ga2O3100mm外延片的薄膜厚度和供体浓度的分布。用于功率器件的外延片不仅是缺陷密度,还在薄膜厚度和供体浓度方面要求具有高度的均匀性。在外延片上的9个点测量的薄膜厚度分布和供体浓度分布被发现差额非常小,分别约为10μm±5%和1×1016cm -3±7%,这对功率器件来说已经不成为问题,并且改进到了第二代外延片的大约七分之一。

 

图2  第三代β-Ga2O3100mm外延片的(a)薄膜厚度分布和(b)供体浓度分布

 

[2] 验证缺陷密度

 

接下来,研究小组以此外延片为基础,制造了一个β-Ga2O3肖特基势垒二极管的原型,并对其电性能和缺陷密度进行了评估。在图1所示的晶圆表面的多个电极图案中,最大的是本次评估中使用的10mm×10mm的β-Ga2O3肖特基势垒二极管。这些二极管的电流-电压特性如图3所示。观察图3(a)中的正向特性,电流在0.8V左右开始流动,并上升到一个恒定的水平,表明已经获得了正常的正向特性。最大的电流值是50A,但这是由于用于测量的设备(探测仪)的限制,此设备最大可以流过300A~500A的电流。接下来,观察图3(b)中的反向特性,即使施加约200V的电压,漏电流也能被抑制到约10-7A。据估测,通过在该设备上增设一个电极终端结构,预计可以实现600V~1200V的耐击穿电压。

 

10mm×10mm的β-Ga2O3肖特基势垒二极管原型的逆向特性良好率为51%,从该值和本次实验中使用的电极尺寸来看,可推测缺陷密度约为0.7个/cm2。这表明在制造100A级β-Ga2O3功率器件时,成品率可达80%。

 

图3  肖特基势垒二极管的(a)正向和(b)逆向的电流-电压特性

 

3.未来计划

 

NovellCrystal Technology将为新开发的第三代β-Ga2O3100mm外延片建立生产线并尽快启动销售。今后,将努力扩大供体浓度和薄膜厚度的指定范围,同时进一步减少缺陷和实现晶圆的大口径化。在NEDO的项目中,Novell Crystal Technology已经成功地实际验证了引入沟槽结构的1200V耐压功率的低损耗β-Ga2O3肖特基势垒二极管。今后,将继续推进开发该产品时构建的1200V耐压沟槽型肖特基势垒二极管的量产技术。