氧化镓有望成为超越SiC和GaN性能的材料

日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）4月6日宣布，作为NEDO推动的“战略节能技术创新计划”的一部分，Novel Crystal Technology正在致力于β-Ga2O3肖特基势垒二极管的商业化开发。宣布已成功确认氧化镓 (β-Ga2O3) 肖特基势垒二极管 (SBD)的运行。

氧化镓有望成为超越SiC和GaN性能的材料，有望成为下一代功率半导体，日本和海外正在进行研究和开发。在这种情况下，Novel Crystal Technology将在3O2的β-Ga2O3肖特基势垒二极管商业化项目上致力于商业化本产品的开发，这次，他们决定将正在开发的β-Ga2O3 SBD安装在电流连续型PFC（功率因数校正）电路中，并对其进行实际使用评估。

具体地，在350W输出电源的PFC电路中安装了β-Ga2O3 SBD，进行了连续电流工作的演示测试。结果反向加了390V的电压，此后，当电压从反向切换到正向时，电流流过二极管正向时的电流波形就变成了梯形波最大8A.据说电流连续运行得到确认。在测试中，他们 还检查了反向恢复特性，并将电路的输出功率与输入功率之比（功率转换效率）与广泛用于相同目的的硅快速恢复二极管（Si FRD）进行了比较。经证实，与 Si FRD 相比，β-Ga2O3 SBD 的效率提高了 1%。

Novel Crystal Technology正在着手建立新开发的该公司还计划开发β-Ga2O3 SBD 。此外，将利用该开发成果进行反型MOS晶体管的研究和开发。

成功量产4吋氧化镓晶圆

在2021年，日本半导体企业Novel Crystal Technology成功量产4吋氧化镓晶圆，并于今年开始供应客户晶圆，使得日本在第三代化合物半导体竞赛中再度拔得头筹。该报导指出，该公司成功量产新一代功率半导体材料氧化镓制成的4吋晶圆，成为全球首家完成量产企业，而且该晶圆可以使用原有4吋晶圆设备制造生产，有效运用过去投资的老设备，对于企业资本支出更有效率，预计2021年内开始供应晶圆。此外，Novel Crystal Technology还计画在2023年供应6吋晶圆，届时又将是划时代突破。

Novel Crystal Technology背景来头不小，由日本电子零部件企业田村制作所和AGC等出资成立，2017年与田村制作所合作成功开发出全球首创氧化镓MOS型功率电晶体，大幅降低功耗，仅为传统MOSFET千分之一；2019年更开发出2吋β型氧化镓晶圆，不过，由于制造成本高昂，未能被广泛应用，仅限于实验室研发。

在宽能隙半导体材料中，氧化镓具备许多优异特性，如：电子飘移饱和速度快、介电常数小、极高崩溃电压、热稳定性好且耐高温，因此，逐渐成为下一世代重要、且最具潜力宽能隙半导体系列材料，晶圆价格比碳化矽硅晶圆低，而且可以更加高效地控制电力，未来一旦价格来到甜蜜点，可广泛应用于电动车及太阳能系统，大幅提升能源效率。

到了去年，据日本媒体报道，Novel Crystal Technology计划投资约为20亿日元，向其公司工厂添加设备，到 2025 年，建成年产 20,000 片 100mm（4 英寸）氧化镓 (Ga2O3) 晶圆生产线。

除了制造和加工氧化镓单晶基板的设备和检查设备外，Novel Crystal Technology还将引进用于在晶圆上外延生长氧化镓的成膜设备，并计划开发一种可以同时沉积多个晶圆的新设备。

与由硅制成的传统半导体相比，氧化镓半导体可以实现器件的功耗降低和高耐压。其特点是能够通过熔融法生长块状单晶并有效地制造晶体基板。与正在投入实际应用的碳化硅（SiC）等下一代材料相比，晶体生长速度快了约100倍，基板更容易制造，从而显著降低了成本。

成功开发出高质量第3代氧化镓

去年四月，日本半导体企业Novel Crystal Technology发表与佐贺大学共同开发了一项相较于既有制品，致命缺陷减少至10分之1之第3代氧化镓100 mm磊晶晶圆(Epitaxial Wafer)。

拥有比GaN、SiC更大能隙(Bandgap)的氧化镓(β-Ga2O3)可望成为次世代功率半导体材料。目前Novell Crystal Technology已经开发出能够形成100 mm之氧化镓磊晶晶圆的成膜装置，并展开了第二代氧化镓100 mm磊晶晶圆的制造与销售。但由于促使元件耐压特性劣化的致命缺陷大约有10个/cm²，因此无法制作大型元件，电流值限制在10A左右。

此次则进一步调查致命缺陷的原因，着手展开晶圆高质量化的研究。结果显示，造成致命缺陷的原因主要是在磊晶成膜过程中产生的特定粉末。研究团队透过改善磊晶成膜条件，成功地将100 mm磊晶晶圆的致命缺陷降低至10分之1，减少到0.7个/cm²。

研究团队也实际进行了磊晶晶圆的膜厚分布与施体浓度(Donor Concentration)的测量，确认膜厚分布约为10 μm ± 5%、施体浓度则是1×1016 cm-3 ± 7%左右，达到应用于功率元件也不会造成问题的水平。另外试作了10×10 mm的肖特基二极管(SBD)，并就其电气特性与致命缺陷密度进行评估，在正向特性方面，电流从0.8V左右开始流动并上升至一定程度，确认具有正常的正向特性。

此外，由于测量设备的上限，最大电流值仅调查到50A，但研究团队表示最大可以流通300～500A。而在反向特性方面，确认即使施加约200V，漏电流仍可抑制在约10-7A左右。今后透过在元件上设置电极终端结构，推估可以实现600～1,200V的耐压。

此项肖特基二极管试作品的反向特性良率为51%，根据此项数值与实证中使用的电极尺寸推算出致命缺陷密度约为0.7个/cm²。此项结果也意味着将可以80%左右的良率进行100A级氧化镓功率元件的制造。

目前Novel Crystal Technology也已着手进行第3代氧化镓100mm磊晶晶圆产线的建置，希望尽早展开销售，今后则计划扩大施体浓度与膜厚指定范围，并致力于致命缺陷的减少与大口径化的研究开发。

另外，在新能源产业技术总合开发机构(NEDO)的推动事业方面，目前也已成功地进行了导入沟槽结构(Trench Structure)之耐压1,200V、低功耗氧化镓肖特基二极管的实证。今后计划利用此次开发的晶圆，近一步推动1,200V耐压沟槽型肖特基二极管的量产技术开发。

编辑：黄飞