导读
近日，日本情报通信研究机构与东京农工大学演示了一种纵向的氧化镓（Ga2O3）金属氧化物半导体场效应管（MOSFET），它采用“全离子注入”工艺进行N型与P型掺杂，为低成本、高可制造性的新时代Ga2O3功率电子器件铺路。
背景
功率电子学，是涉及在电机驱动器、电动汽车、数据中心、电网等应用中的电力控制与转换的学科。功率电子器件，即整流器（二极管）和开关（晶体管），组成了电力电子电路的核心元件。
二极管（图片来源：维基百科）晶体管（图片来源：维基百科）我们身边随处可见各式各样的功率电子器件，它们一般可用于改变电压或者交直流电转换，例如：便携式电子设备充电的移动电源、电动汽车的电池组、电网本身的输变电设备。
如今，主流的功率器件由硅（Si）组成，但是这种功率器件正逼近其基本性能极限，致使商用的功率系统变得笨重而低效。
基于宽禁带半导体氧化镓（Ga2O3）的新一代功率器件，有望彻底变革电力电子工业。
β-氧化镓晶体结构示意图（图片来源：维基百科）
宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2eV）被称为第三代半导体材料，主要包括金刚石、SiC、GaN等。与第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有禁带宽度大，电子饱和漂移速度高、介电常数小、导电性能好等优势。基于宽禁带半导体材料的电路与传统硅基电路相比，功率密度更高、功耗更低。Ga2O3通过“在器件级别”提升功率密度与功率转换效率，有望大幅削减功率系统的尺寸、重量、成本和能耗。
之前，笔者曾经介绍过一篇在美国物理联合会出版的《应用物理快报（AppliedPhysicsLetters）》杂志上发表的一篇论文，在论文中，研究人员通过新实验展示了将“宽禁带半导体材料Ga2O3”设计到纳米结构中，使得电子在晶体结构中移动得更快。因为电子如此“轻松”地流动，所以Ga2O3有望成为用于高频通信系统与节能电力电子器件的理想材料。
（图片来源：ChoongHeeLee和YueweiZhang）
创新
近日，日本情报通信研究机构（NICT）与东京农工大学（TUAT）演示了一种“纵向的”氧化镓金属氧化物半导体场效应管（MOSFET），它采用“全离子注入（all-ion-implanted）”工艺进行N型与P型掺杂，为低成本、高可制造性的新时代Ga2O3功率电子器件铺路。
技术
年，NICT开创性地演示了首个单晶体Ga2O3晶体管，从而引发了密集的国际科研活动，对于这种新型氧化物半导体的科学与工程展开研究。
过去几年来，Ga2O3晶体管的开发集中于研究横向几何结构。然而，由于器件面积较大、发热带来的可靠性问题、表面不稳定性，横向器件不容易经受住许多应用所需的“高电流与高电压”的考验。
相比而言，纵向几何结构能以更高的电流驱动，不必增加芯片尺寸，从而简化了热管理，并带来“好得多”的场终止。纵向晶体管开关的特性，是通过向半导体中引入两种杂质（掺杂剂）来设计的。开关“打开”时，N型掺杂，提供移动的载流子（电子），用于携带电流；开关“关闭”时，P型掺杂，会启动电压阻断。
MasatakaHigashiwaki领导的NICT科研小组率先在Ga2O3器件中使用硅（Si）作为N型掺杂剂，但是科学界长期以来一直在为找到一种合适的P型掺杂剂而努力。今年早些时候，同一科研小组，公布了用氮（N）作为P型掺杂剂的可行性。他们最新的成果包括首次通过高能量掺杂剂引入工艺，即所谓的“离子注入”，整合硅与氮掺杂，设计出一个Ga2O3晶体管。
12月3日，这项研究以早期访问的在线论文形式发表在《IEEEElectronDeviceLetters》期刊上，并计划在该期刊年1月出版的那一期上发表。这项研究构建在一项更早的研究基础上，那项研究中采用了不同的受体掺杂剂。
绿色ICT器件高级开发中心的研究员、这篇论文的领导作者ManHoiWong表示：“我们一开始研究用镁进行P型掺杂，但是这种掺杂剂无法提供期望的性能，因为它在高温处理的情况下会扩散。氮，从另一方面来看，热稳定性高很多，从而为高压Ga2O3器件的设计与制造提供了独特的机遇。”
用于制造纵向MOSFET的Ga2O3基础材料，是通过一种称为“卤化物气相外延（HVPE）”的晶体生长技术生产的。HVPE由TUAT教授YoshinaoKumagai与HisashiMurakami开创，能以“高速度、低杂质水平”生长单晶Ga2O3薄膜。研究人员们实施了三个离子注入步骤，形成了MOSFET中的N型接触、N型沟道、P型电流阻断层（CBLs）(图一)。这个器件展示出相当好的电气特性，包括0.42kA/cm2的导通电流密度，31.5mΩ·cm2的特定导通电阻，以及大于八个数量级的高漏极电流开关比(图二)。通过改善栅极绝缘层的品质以及优化掺杂方案，其性能很容易得到进一步改善。
图一，纵向Ga2O3MOSFET（a）截面示意图与（b）平面视图光学显微图（图片来源：NICT）
图二，纵向Ga2O3MOSFET（a）直流输出与（b）转移特性（图片来源：NICT）
价值
NICT绿色ICT器件高级开发中心主任Higashiwaki表示：“我们的成功在于一项突破性的开发，有望对Ga2O3功率器件技术产生变革性的影响。“离子注入”是一项多功能制造技术，在诸如硅与碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体等商用半导体器件的量产中广泛采用。对于全离子注入的纵向Ga2O3晶体管的演示，极大改善了基于Ga2O3的功率电子器件的前景。”
Higashiwaki和Wong表示：“纵向功率器件是最强大的竞争者，它可以将超过A的电流与超过1kV的电压结合起来，这样的结合是许多媒介物所要求的，也是电力工业和汽车电力系统所需要的。”
Ga2O3的技术影响将受到通过“熔融法”生长的天然物质的充分支持，这种物质是硅工业的关键赋能者之一。硅工业主导了全球半导体市场，每年的回报达几千亿美元。研究人员解释道：“纵向碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN）功率器件已经在某种程度上，受到衬底高成本的阻碍。对于Ga2O3来说，高质量与大尺寸的天然衬底，相对于目前采用的宽禁带SiC与GaN技术，为这种迅速涌现的新兴技术提供一个独特且显著的成本优势。”
关键字
晶体管、半导体、功率器件、氮化镓
参考资料
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