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世界上首個縱向氧化鎵晶體管研制成功！
背景
功率電子學(xué)，是涉及在電機驅(qū)動器、電動汽車、數(shù)據(jù)中心、電網(wǎng)等應(yīng)用中的電力控制與轉(zhuǎn)換的學(xué)科。功率電子器件，即整流器（二極管）和開關(guān)（晶體管），組成了電力電子電路的核心元件。
二極管（圖片來源：維基百科）
晶體管（圖片來源：維基百科）
我們身邊隨處可見各式各樣的功率電子器件，它們一般可用于改變電壓或者交直流電轉(zhuǎn)換，例如：便攜式電子設(shè)備充電的移動電源、電動汽車的電池組、電網(wǎng)本身的輸變電設(shè)備。
如今，主流的功率器件由硅（Si）組成，但是這種功率器件正逼近其基本性能極限，致使商用的功率系統(tǒng)變得笨重而低效。
基于寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵（Ga2O3）的新一代功率器件，有望徹底變革電力電子工業(yè)。
β-氧化鎵晶體結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來源：維基百科）
寬禁帶半導(dǎo)體材料（禁帶寬度大于2.2eV）被稱為第三代半導(dǎo)體材料，主要包括金剛石、SiC、GaN等。與第一代、第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大，電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小、導(dǎo)電性能好等優(yōu)勢?；趯捊麕О雽?dǎo)體材料的電路與傳統(tǒng)硅基電路相比，功率密度更高、功耗更低。Ga2O3 通過“在器件級別”提升功率密度與功率轉(zhuǎn)換效率，有望大幅削減功率系統(tǒng)的尺寸、重量、成本和能耗。
之前，筆者曾經(jīng)介紹過一篇在美國物理聯(lián)合會出版的《應(yīng)用物理快報（Applied Physics Letters）》雜志上發(fā)表的一篇論文【3】，在論文中，研究人員通過新實驗展示了將“寬禁帶半導(dǎo)體材料 Ga2O3”設(shè)計到納米結(jié)構(gòu)中，使得電子在晶體結(jié)構(gòu)中移動得更快。因為電子如此“輕松”地流動，所以Ga2O3 有望成為用于高頻通信系統(tǒng)與節(jié)能電力電子器件的理想材料。
（圖片來源：Choong Hee Lee 和 Yuewei Zhang）
創(chuàng)新
近日，日本情報通信研究機構(gòu)（NICT）與東京農(nóng)工大學(xué)（TUAT）演示了一種“縱向的”氧化鎵金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET），它采用“全離子注入（ all-ion-implanted ）”工藝進行N型與P型摻雜，為低成本、高可制造性的新時代 Ga2O3 功率電子器件鋪路。
技術(shù)
2011年，NICT 開創(chuàng)性地演示了首個單晶體 Ga2O3 晶體管，從而引發(fā)了密集的國際科研活動，對于這種新型氧化物半導(dǎo)體的科學(xué)與工程展開研究【4】。
過去幾年來，Ga2O3 晶體管的開發(fā)集中于研究橫向幾何結(jié)構(gòu)。然而，由于器件面積較大、發(fā)熱帶來的可靠性問題、表面不穩(wěn)定性，橫向器件不容易經(jīng)受住許多應(yīng)用所需的“高電流與高電壓”的考驗。
相比而言，縱向幾何結(jié)構(gòu)能以更高的電流驅(qū)動，不必增加芯片尺寸，從而簡化了熱管理，并帶來“好得多”的場終止。縱向晶體管開關(guān)的特性，是通過向半導(dǎo)體中引入兩種雜質(zhì)（摻雜劑）來設(shè)計的。開關(guān)“打開”時，N型摻雜，提供移動的載流子（電子），用于攜帶電流；開關(guān)“關(guān)閉”時，P型摻雜，會啟動電壓阻斷。
Masataka Higashiwaki 領(lǐng)導(dǎo)的 NICT 科研小組率先在 Ga2O3 器件中使用硅（Si）作為N型摻雜劑，但是科學(xué)界長期以來一直在為找到一種合適的P型摻雜劑而努力。今年早些時候，同一科研小組，公布了用氮（N）作為P型摻雜劑的可行性【5】。他們最新的成果包括首次通過高能量摻雜劑引入工藝，即所謂的“離子注入”，整合硅與氮摻雜，設(shè)計出一個 Ga2O3 晶體管。
12月3日，這項研究以早期訪問的在線論文形式發(fā)表在《IEEE Electron Device Letters》期刊上【2】，并計劃在該期刊2019年1月出版的那一期上發(fā)表。這項研究構(gòu)建在一項更早的研究基礎(chǔ)上，那項研究中采用了不同的受體摻雜劑【6】。
綠色 ICT 器件高級開發(fā)中心的研究員、這篇論文的領(lǐng)導(dǎo)作者 Man Hoi Wong 表示：“我們一開始研究用鎂進行P型摻雜，但是這種摻雜劑無法提供期望的性能，因為它在高溫處理的情況下會擴散。氮，從另一方面來看，熱穩(wěn)定性高很多，從而為高壓 Ga2O3 器件的設(shè)計與制造提供了獨特的機遇?！?
用于制造縱向 MOSFET 的 Ga2O3 基礎(chǔ)材料，是通過一種稱為“鹵化物氣相外延（HVPE）”的晶體生長技術(shù)生產(chǎn)的。HVPE 由 TUAT 教授 Yoshinao Kumagai 與 Hisashi Murakami 開創(chuàng)，能以“高速度、低雜質(zhì)水平”生長單晶 Ga2O3 薄膜【7】。研究人員們實施了三個離子注入步驟，形成了 MOSFET 中的N型接觸、N型溝道、P型電流阻斷層（CBLs）(圖一)。這個器件展示出相當(dāng)好的電氣特性，包括 0.42 kA/cm2 的導(dǎo)通電流密度，31.5 mΩ·cm2 的特定導(dǎo)通電阻，以及大于八個數(shù)量級的高漏極電流開關(guān)比(圖二)。通過改善柵極絕緣層的品質(zhì)以及優(yōu)化摻雜方案，其性能很容易得到進一步改善。
圖一，縱向 Ga2O3 MOSFET （a）截面示意圖與（b）平面視圖光學(xué)顯微圖（圖片來源：NICT）
圖二，縱向 Ga2O3 MOSFET （a）直流輸出與（b）轉(zhuǎn)移特性（圖片來源：NICT）
價值
NICT 綠色 ICT 器件高級開發(fā)中心主任 Higashiwaki 表示：“我們的成功在于一項突破性的開發(fā)，有望對 Ga2O3 功率器件技術(shù)產(chǎn)生變革性的影響。“離子注入”是一項多功能制造技術(shù)，在諸如硅與碳化硅（SiC）金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體等商用半導(dǎo)體器件的量產(chǎn)中廣泛采用。對于全離子注入的縱向 Ga2O3 晶體管的演示，極大改善了基于 Ga2O3 的功率電子器件的前景?！?
Higashiwaki 和 Wong 表示：“縱向功率器件是最強大的競爭者，它可以將超過 100A 的電流與超過 1kV 的電壓結(jié)合起來，這樣的結(jié)合是許多媒介物所要求的，也是電力工業(yè)和汽車電力系統(tǒng)所需要的?！?
Ga2O3 的技術(shù)影響將受到通過“熔融法”生長的天然物質(zhì)的充分支持，這種物質(zhì)是硅工業(yè)的關(guān)鍵賦能者之一。硅工業(yè)主導(dǎo)了全球半導(dǎo)體市場，每年的回報達幾千億美元。研究人員解釋道：“縱向碳化硅（ SiC ）與氮化鎵 （GaN）功率器件已經(jīng)在某種程度上，受到襯底高成本的阻礙。對于 Ga2O3 來說，高質(zhì)量與大尺寸的天然襯底，相對于目前采用的寬禁帶 SiC 與 GaN 技術(shù)，為這種迅速涌現(xiàn)的新興技術(shù)提供一個獨特且顯著的成本優(yōu)勢?！?
關(guān)鍵字
晶體管、半導(dǎo)體、功率器件、氮化鎵
參考資料
【1】http://www.nict.go.jp/en/press/2018/12/12-1.html
【2】https://ieeexplore.ieee.org/document/8556005
【3】Yuewei Zhang, Adam Neal, Zhanbo Xia, Chandan Joishi, Jared M. Johnson, Yuanhua Zheng, Sanyam Bajaj, Mark Brenner, Donald Dorsey, Kelson Chabak, Gregg Jessen, Jinwoo Hwang, Shin Mou, Joseph P. Heremans, Siddharth Rajan. Demonstration of high mobility and quantum transport in modulation-doped β-(AlxGa1-x)2O3/Ga2O3 heterostructures. Applied Physics Letters, 2018; 112 (17): 173502 DOI: 10.1063/1.5025704
【4】M. Higashiwaki, K. Sasaki, A. Kuramata, T. Masui, and S. Yamakoshi, “Gallium oxide (Ga2O3) metal-semiconductor field-effect transistors on single-crystal β-Ga2O3 (010) substrates,” Appl. Phys. Lett., vol. 100, no. 1, p. 103504, Jan. 2012.
【5】M. H. Wong, C.-H. Lin, A. Kuramata, S. Yamakoshi, H. Murakami, Y. Kumagai, and M. Higashiwaki, “Acceptor doping of β-Ga2O3 by Mg and N ion implantations,” Appl. Phys. Lett., vol. 113, no. 10, p. 102103, Sep. 2018.
【6】M. H. Wong, K. Goto, Y. Morikawa, A. Kuramata, S. Yamakoshi, H. Murakami, Y. Kumagai, and M. Higashiwaki, “All-ion-implanted planar-gate current aperture vertical Ga2O3 MOSFETs with Mg-doped blocking layer,” Appl. Phys. Express, vol. 11, no. 6, p. 064102, Jun. 2018.
【7】H. Murakami, K. Nomura, K. Goto, K. Sasaki, K. Kawara, Q. T. Thieu, R. Togashi, Y. Kumagai, M. Higashiwaki, A. Kuramata, S. Yamakoshi, B. Monemar, and A. Koukitu, “Homoepitaxial growth of β-Ga2O3 layers by halide vapor phase epitaxy,” Appl. Phys. Express, vol. 8, no. 1, p. 015503, Jan. 2015.
2018-12-13 來源：環(huán)球創(chuàng)新智慧
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