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Novel Crystal Technology-缺陷率降低了10倍的第三代氧化鎵外延片

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第三代β-Ga2O3 100mm外延片上的肖特基勢壘二極管原型。最大芯片尺寸為10毫米x10毫米。

在日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）的“戰(zhàn)略節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃”中，Novel Crystal Technology公司致力于β-Ga2O3肖特基勢壘二極管的商業(yè)開發(fā)，并與佐賀大學(xué)合作開發(fā)了第三代氧化鎵100mm外延片。在這一發(fā)展過程中，Novel Crystal Technology和佐賀大學(xué)改進(jìn)了外延晶片制造技術(shù)，并將致命缺陷的數(shù)量減少到傳統(tǒng)晶片的十分之一。這種缺陷降低了器件的擊穿電壓特性，并阻礙了提高氧化鎵功率器件電流的努力。

這一發(fā)展使得商業(yè)上在火車、工業(yè)設(shè)備和電動車輛中使用所需的100A級氧化鎵功率器件成為可能，并將導(dǎo)致節(jié)能和碳中和的進(jìn)步。

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圖1.（a）第三代β-Ga2O3 100mm外延片膜厚度分布和（b）施主濃度分布

近年來，氧化鎵（β-Ga2O3）作為一種低成本、低功耗的新型功率器件材料開始受到廣泛關(guān)注。功率器件用于控制從家用電器、汽車、火車到工業(yè)設(shè)備的各種電氣設(shè)備中的電壓和電流。傳統(tǒng)的功率器件由硅制成，但在功率控制過程中會出現(xiàn)功率損耗。為了減少這種損耗，各種機(jī)構(gòu)正在開發(fā)由SiC和GaN制成的功率器件。β-Ga2O3是SiC和GaN有吸引力的替代品，因?yàn)樗梢赃M(jìn)一步降低功率損耗，降低器件的功耗。此外，由于β-Ga2O3的制造方法比SiC或GaN的制造方法快，因此可以預(yù)期其經(jīng)濟(jì)性較好。由于這些原因，日本和海外目前正在進(jìn)行旨在商業(yè)化β-Ga2O3功率器件的研究和開發(fā)。

在這樣的背景下，NEDO（日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)）的戰(zhàn)略性節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目中，Novel Crystal Technology和佐賀大學(xué)一直致力于β-Ga2O3肖特基勢壘二極管的商業(yè)開發(fā)。通過改進(jìn)β-Ga2O3外延晶片的制造技術(shù)，他們成功地將降低器件擊穿電壓特性的致命缺陷數(shù)量減少到前一代β-Ga2O3 100mm外延晶片的十分之一。此外，他們最近成功地開發(fā)了一種大電流的300A至500A級氧化鎵肖特基勢壘二極管。這種新型二極管將使100A級β-Ga2O3功率器件在電動汽車等廣泛市場上的部署成為可能。這一發(fā)展的節(jié)能效果預(yù)計(jì)到2030年代每年將等效節(jié)省超過1億升原油，成為2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的主要貢獻(xiàn)。

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圖2. 肖特基勢壘二極管（a）正向和（b）反向的電流-電壓特性

Novel CrystalTechnology之前開發(fā)了第二代外延沉積設(shè)備，用于將β-Ga2O3外延晶片的尺寸放大到100mm，該晶片目前正在生產(chǎn)和銷售。這種晶圓每平方厘米約有10個缺陷，會降低器件的擊穿電壓特性，這意味著這些晶圓不能用于制造大型器件，電流限制在10A左右。通過與佐賀大學(xué)的合作，Novel Crystal Technology已經(jīng)確定，缺陷主要來自于在外延沉積過程中產(chǎn)生的特殊粉末。通過改善外延沉積條件，Novel Crystal Technology已經(jīng)開發(fā)出第三代β-Ga2O3 100mm外延晶片，其缺陷密度僅為0.7個/平方厘米，不到第二代晶片的十分之一。

成功來自于對在改進(jìn)條件下制備的第三代β-Ga2O3 100mm外延片的膜厚度分布和施主濃度分布的研究（結(jié)果如圖1所示）。用于功率器件的外延片要求膜厚度和施主濃度的高度均勻性以及低缺陷密度。在外延片平面上的九個點(diǎn)測得的膜厚度分布和施主濃度分布非常小，分別約為10μm±5%和1×1016cm-3±7%。這大約是第二代外延晶片的七分之一，對功率器件來說沒有問題。

在新的外延晶片上制作β-Ga2O3肖特基勢壘二極管的原型，并評估其電氣特性和缺陷密度的工作繼續(xù)進(jìn)行。晶片表面最大的電極構(gòu)型是10mm×10mm β-Ga2O3肖特基勢壘二極管。正向特性（如圖2（a））顯示電流從約0.8V開始流動并穩(wěn)定上升，并獲得正常正向特性。由于用于該測量的設(shè)備（探頭）的限制，測量中最大電流為50A，但器件電流最大為300至500A。反向特性（如圖2（b））表明，即使施加約200V，泄漏電流也可以被抑制到約10-7A。下一步，估計(jì)通過將電極端接結(jié)構(gòu)并入器件中可獲得約600至1200V的擊穿電壓。

原型二極管的反向特性成品率為51%，根據(jù)該值和電極尺寸，缺陷密度估計(jì)約為0.7個/cm2。這意味著100A級β-Ga2O3功率器件可以以約80%的良率制造。

Novel CrystalTechnology將推出新的第三代β-Ga2O3 100 mm外延晶片生產(chǎn)線，并在不久的將來開始銷售其晶片。它將繼續(xù)努力進(jìn)一步減少缺陷，增加晶圓直徑，同時擴(kuò)大施主濃度和膜厚度的可用范圍。在NEDO的項(xiàng)目中，Novel Crystal Technology已經(jīng)成功展示了一種具有溝槽結(jié)構(gòu)和1200V擊穿電壓的低功率損耗β-Ga2O3肖特基勢壘二極管。Novel Crystal Technology將繼續(xù)利用其未來開發(fā)的產(chǎn)品，為耐壓溝槽型肖特基勢壘二極管創(chuàng)造大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)。

NEDO的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)與經(jīng)濟(jì)增長相適應(yīng)的可持續(xù)節(jié)能。正如其“節(jié)能技術(shù)戰(zhàn)略”所述，此類開發(fā)工作將導(dǎo)致技術(shù)商業(yè)化，這些技術(shù)將在21世紀(jì)30年代在能源、工業(yè)、消費(fèi)和交通部門產(chǎn)生顯著的節(jié)能效果。

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