氧化镓制造功率元件，比SiC更出色？
与sic和gan相比，β-ga2o3有望以低成本制造出高耐压且低损失的功率半导体元件，因而引起了极大关注。契机源于日本信息通信研究机构等的研究小组开发出的β-ga2o3晶体管。下面请这些研究小组的技术人员，以论文形式介绍一下β-ga2o3的特点、研发成果以及今后的发展。
我们一直在致力于利用氧化镓（ga2o3）的功率半导体元件（以下简称功率元件）的研发。ga2o3与作为新一代功率半导体材料推进开发的sic和gan相比，有望以低成本制造出高耐压且低损失的功率元件。其原因在于材料特性出色，比如带隙比sic及gan大，而且还可利用能够高品质且低成本制造单结晶的“溶液生长法”。
在我们瞄准的功率元件应用中，使用ga2o3试制了“mesfet”（metal-semiconductorfield effect transistor，金属半导体场效应晶体管）。尽管是未形成保护膜（钝化膜）的非常简单的构造，但试制品显示出了耐压高、泄漏电流小的特性。而使用sic及gan来制造相同构造的元件时，要想实现像试制品这样的特性，则是非常难的。
虽然研发尚处于初期阶段，但我们认为ga2o3的潜力巨大。本论文将介绍ga2o3在功率元件用途方面的使用价值、研发成果，以及今后的目标等。
比sic及gan更为出色的性能
ga2o3是金属镓的氧化物，同时也是一种半导体化合物。其结晶形态截至目前（2012年2月）已确认有α、β、γ、δ、ε五种，其中，β结构最稳定。与ga2o3的结晶生长及物性相关的研究报告大部分都使用β结构。我们也使用β结构展开了研发。
β-ga2o3具备名为“β-gallia”的单结晶构造。β-ga2o3的带隙很大，达到4.8～4.9ev，这一数值为si的4倍多，而且也超过了sic的3.3ev 及gan的3.4ev（表1）。一般情况下，带隙大的话，击穿电场强度也会很大（图1）。β-ga2o3的击穿电场强度估计为8mv/cm左右，达到si的20多倍，相当于sic及gan的2倍以上。
图1：击穿电场强度大
带隙越大，击穿电场强度就越大。β-ga2o3的击穿电场强度为推测值。
β-ga2o3在显示出出色的物性参数的同时，也有一些不如sic及gan的方面，这就是迁移率和导热率低，以及难以制造p型半导体。不过，我们认为这些方面对功率元件的特性不会有太大的影响。
之所以说迁移率低不会有太大问题，是因为功率元件的性能很大程度上取决于击穿电场强度。就β-ga2o3而言，作为低损失性指标的“巴利加优值（baliga’s figure of merit）”与击穿电场强度的3次方成正比、与迁移率的1次方成正比。因此，巴加利优值较大，是sic的约10倍、gan的约4倍。
一般情况下，导热率低的话，很难使功率元件在高温下工作。不过，工作温度再高也不过200～250℃，因此实际使用时不会有问题。而且封装有功率元件的模块及电源电路等使用的封装材料、布线、焊锡、密封树脂等周边构件的耐热温度最高也不过200～250℃程度。因此，功率元件的工作温度也必须要控制在这一水平之下。
另外，关于难以制造p型半导体这一点，使用β-ga2o3来制作功率元件时，可以将其用作n型半导体，因此也不是什么问题。而且，通过掺杂sn及si等施主杂质，可在电子浓度为1016～1019cm-3的大范围内对n型传导特性进行控制（图2）。
图2：n型传导特性的控制范围大
使用β-ga2o3时，可在大范围内控制n型传导性。实际上，通过掺杂施主杂质，可在1016～1019cm-3范围内调整电子密度。
导通电阻仅为sic的1/10
β-ga2o3由于巴利加优值较高，因此理论上来说，在制造相同耐压的单极功率元件时，元件的导通电阻比采用sic及gan低很多（图3）。降低导通电阻有利于减少电源电路在导通时的电力损失。
图3：导通电阻比sic及gan小
在相同耐压下比较时，β-ga2o3制造的单极元件，其导通电阻理论上可降至使用sic时的1/10、使用gan时的1/3。图中的直线与巴加利优值的倒数相等。直线位置越接近右下方，制成的功率元件性能就越出色。
使用β-ga2o3的功率元件不仅能够降低导通时的损失，而且还可降低开关时的损失。因为从理论上说，在耐压1kv以上的高耐压用途方面，可以使用单极元件。
比如，设有利用保护膜来减轻电场向栅极集中的“场板”的单极晶体管（mosfet），其耐压可达到3k～4kv。
而使用si的话在耐压为1kv时就必须使用双极元件，即便使用耐压公认较高的sic，在耐压为4kv时也必须使用双极元件。双极元件以电子和空穴为载流子，因此与只以电子为载流子的单极元件相比，在导通及截止的开关动作时，沟道内的载流子的产生和消失会耗费时间，损失容易变大。
比如si，在耐压1kv以上的用途方面通常是晶体管使用igbt，二极管使用pin二极管。
sic的话，耐压4kv以下用途时晶体管可使用mosfet等单极元件，二极管可使用肖特基势垒二极管（sbd）等单极元件。但在耐压4kv以上时导通电阻超过10mωcm2，单极元件不具备实用性。因此必须使用双极元件。
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在我们瞄准的功率元件应用中，使用ga2o3试制了“mesfet”（metal-semiconductorfield effect transistor，金属半导体场效应晶体管）。尽管是未形成保护膜（钝化膜）的非常简单的构造，但试制品显示出了耐压高、泄漏电流小的特性。而使用sic及gan来制造相同构造的元件时，要想实现像试制品这样的特性，则是非常难的。
虽然研发尚处于初期阶段，但我们认为ga2o3的潜力巨大。本论文将介绍ga2o3在功率元件用途方面的使用价值、研发成果，以及今后的目标等。
比sic及gan更为出色的性能
ga2o3是金属镓的氧化物，同时也是一种半导体化合物。其结晶形态截至目前（2012年2月）已确认有α、β、γ、δ、ε五种，其中，β结构最稳定。与ga2o3的结晶生长及物性相关的研究报告大部分都使用β结构。我们也使用β结构展开了研发。
β-ga2o3具备名为“β-gallia”的单结晶构造。β-ga2o3的带隙很大，达到4.8～4.9ev，这一数值为si的4倍多，而且也超过了sic的3.3ev 及gan的3.4ev（表1）。一般情况下，带隙大的话，击穿电场强度也会很大（图1）。β-ga2o3的击穿电场强度估计为8mv/cm左右，达到si的20多倍，相当于sic及gan的2倍以上。
图1：击穿电场强度大
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β-ga2o3在显示出出色的物性参数的同时，也有一些不如sic及gan的方面，这就是迁移率和导热率低，以及难以制造p型半导体。不过，我们认为这些方面对功率元件的特性不会有太大的影响。
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