拥护真正的重量级材料：释放Ga2O3的希望
2023/12/19 9:56:09 材料来源：ACT化合物半导体
《CS Magazine》编辑理查德·史蒂文森
除了创纪录的代表人数和拥挤的展厅外，参加今年CS International 的人还会记住这次会议，因为人们对宽带隙电力电子产品的兴趣达到了惊人的水平。这一领域令人兴奋得难以置信， 因为在未来十年，SiC 和GaN 器件和模块的销售额将飙升，从现在的年收入总额不到20 亿美元攀升到2030 年的180 亿美元左右。这不仅对芯片制造商来说是个好消息，对那些制造相关材料、检测仪器和器件设计软件的公司也是如此。
采用这两类新的电力电子产品将造福人类。电力在交流电和直流电之间的转换效率将有所提高。这导致了许多电气系统的碳足迹减少。更重要的是，电动汽车一次充电就能行驶更远，这有助于缓解人们对里程焦虑的担忧，并为放弃内燃机提供了更有说服力的理由。
但是，电力电子领域的革命会随着SiC 和GaN 的出现而结束吗？或者还会有更多的事情发生吗？
CS International 的三位演讲者， 布里斯托尔大学器件热成像和可靠性中心负责人马丁·库博尔(Martin Kuball，见上图) ；Ga2O3 衬底制造商Now Crystal Technology(NCT) 首席执行官仓田昭人(Akito Kuramata) ；以及HVPE 专家Kyma Technologies 的CEO, Heather Splawn, 都认为与SiC 和GaN 相比，Ga2O3 是一种重量级材料，能够处理令人难以置信的高电压，并以更高的效率提供开关器件。这些特性使这种氧化物成为超高压市场的一个非常有前途的候选者，它可以部署在支持电网、处理风力涡轮机产生的电力以及电动列车应用的领域。
就其物理性能而言，Ga2O3 以其4.9 eV 的宽禁带和高达8MV cm-1 的击穿电场而闻名。但是， 当以衡量电力电子器件潜力的通用标准—Baliga 系数为基准时，它的表现如何？起初，尽管氧化物似乎遥遥领先于SiC 和GaN，但它落后于另外两个重量级材料—金刚石和AlN。然而，当人们考虑到掺杂能级深度（这是决定功率器件能力的关键因素）时，由于相对较浅的掺杂能级( 见图1)， β-Ga2O3 便占了上风。
Ga2O3 的另一个主要优点是晶体生长相对容易。与硅、GaAs 和InP 一样，它可以从熔体中生长，确保相对容易地生产出位错密度较低的衬底。但SiC 和GaN 并非如此，前者倾向于通过气相传输法来生产；后者尚未拥有适合批量生产同质电力电子器件的体材料生长技术。
需要克服的障碍
由于所有这些优点，由Ga2O3 制成的器件已经取得了令人印象深刻的结果。Kuball 在2023 年CS International 大会上向与会代表发表演讲时表示：“性能已经超过了碳化硅。”然而，这并不意味着商业上的成功是必然的，部分原因是这些器件仍存在缺陷。
库博尔(Kuball) 没有对这些担忧置之不理， 而是正面讨论了这些问题。其中一个弱点是材料中存在高密度的缺陷，深能级瞬变光谱揭示了β-Ga2O3 中许多不同的缺陷状态。还需要做更多的工作，因为人们在很大程度上仍然不清楚这种氧化物中的致命缺陷可能是什么。
另一个令人担忧的问题是Ga2O3 的低导热系数，这导致许多人声称的由于芯片过热，这种氧化物永远不会成为电力电子器件的可行材料。但这个问题可以通过工程来解决，库博尔(Kuball) 认为，在有源区域旁边引入金刚石可以有效带走热量。他的团队已经使用这种方法来改进GaN 器件的热管理。
金刚石的加入实际上能够提供简单而卓越的热提取效果�？獠┒哦拥难芯拷峁砻�，通过在n 型Ga2O3 中填充p 型金刚石沟槽形成的超结肖特基势垒二极管能够实现对器件的电气控制。这是令人鼓舞的，因为Ga2O3 没有p 型掺杂是一个主要的问题，而整合其他p 型半导体是一个很有前途的解决方案。
任何器件当其还处于初级阶段时，人们总是会担心它的可靠性�？獠┒�(Kuball) 和他的同事们一直在研究康奈尔大学提供的Ga2O3 沟槽FET， 实验发现Al2O3 介电层有故障。现在需要努力改善Ga2O3 和Al2O3 的界面。
布里斯托尔团队也生产了沟槽肖特基势垒二极管。对这些没有场板的器件进行基准测试，表明其性能可与该领域的其他领先团队相媲美。
2022 年5 月，库博尔的团队启用了欧洲第一个商用Ga2O3 MOCVD 反应生长器--Agnitron Agilis 工具。从那时起，他们一直享受着生长自己材料的机会，为包括垂直器件在内的各种结构生产Ga2O3 和Alx(Ga2O3)1-x 外延层。
库博尔解释说，为了提高器件的导热性能， 他们研究了在金刚石上的两步生长技术。透射电子显微镜和扫描电子显微镜图像显示了245 nm 厚的β-Ga2O3 层的表面完美结合，以及不同的竞争结晶取向。这种薄膜的物理特性与生长在蓝宝石衬底上的β-Ga2O3 没有太大的差别，库博尔认为到目前为止，实验结果非常有希望。
晶锭的生长方法
NCT的Kuramata在演讲中对Ga2O3体材料的生长提出了更多见解，他讨论了NCT公司用于生产商业材料的两种生长技术：导模法和垂直布里奇曼法。
虽然这家总部位于佐山的日本公司更出名的是衬底和外延片的生产，但它也计划生产芯片、器件及其封装。仓田展示了该公司的路线图，其中包括在未来五年内推出150mm和200mm晶圆，以及分别在2023年和2025年推出二极管和晶体管(详情见图2)。该公司的二极管旨在提供比碳化硅肖特基势垒二极管更高的性价比，而按照同样的标准，晶体管性能有望赶超硅IGBT。
对于更大尺寸材料的生产，导模法生长处于领先地位，NCT已经报告了尺寸为6英寸的材料的开发。“这是目前生产大尺寸n型衬底的唯一方法，”仓田说。
导模法生长的另一个优点是它是所有Ga2O3生长技术中生长速度最快的方法--生长速度为15mm/小时，是区熔法的三倍，Cz法仅为2mm/小时，垂直Bridgeman法仅为1 mm/小时。
在导模法生长中，工程师通过毛细作用将熔融的Ga2O3拉过狭缝，在籽晶上生长(见图3)。这产生了具有板状几何形状的晶体材料，其缺陷密度通常约为103 cm-2。
由于Ga2O3行业仍处于初级阶段，因此今天没有6英寸材料的订单也就不足为奇了。然而，Kuramata相信，一旦接到这样的订单，NCT将迅速建立这种尺寸的材料的生产。
这家日本公司还在开发由垂直布里奇曼法生产Ga2O3小尺寸晶锭，因为这种工艺生产的材料质量非常高。生长需要一个由铂-铑合金制成的坩埚和(010)取向的Ga2O3籽晶。通过在熔炉中产生的温度梯度小心地控制坩埚的运动，熔化的Ga2O3被冷却以生长出晶锭。通过这种方法，NCT已经生产了2英寸(010)衬底的生长--据称是迄今报道的(010)取向Ga2O3衬底的最大尺寸。
对于外延层的生长，NCT使用了从东京农业大学引进的HVPE技术。NCT与佐贺大学合作，在100 mm的β-Ga2O3外延片上生产肖特基势垒二极管，芯片尺寸高达10 mm×10 mm。对于10 mm厚的薄膜，薄膜厚度的均匀性为±5%；当施主浓度为1×1016cm-3时，薄膜厚度的变化为±7%。
这种边长为10mm×10mm的晶片的二极管成品率高达51%。根据这一数字，外延片中致命性缺陷的密度约为0.7cm-2。
拥护HVPE
另一位用于Ga2O3高压电力电子产品的倡导者是Kyma Technology的领导者兼HVPE专家Heather Splawn。她在今年的CS International上辩称，这种形式的外延可以生产低成本和高性能的材料，有高的生长速率，这是器件制造的理想选择。Splawn还指出，由于化学前驱体的化学纯度高且没有含碳的金属有机物，HVPE本质上比MOCVD更清洁。多亏了这优势，HVPE法才能实现高纯度的生长。
Kyma已经向市场推出了一款名为Katharo的工具，该工具专为用于大功率开关的Ga2O3器件的生长而设计。该反应器能够容纳直径达200mm的晶片。
虽然在如此大的直径上实现生长还有一段路要走，但该公司已经在较小的衬底上实现了令人鼓舞的结果。根据Splawn的说法，在100mm的HVPE反应生长设备中，当外延层厚度可以超过20μm时，可以实现出色的掺杂控制。她的团队还在50 mm的晶片上沉积了均匀掺杂和厚度的Ga2O3外延层，X射线衍射测量表明晶体质量非常高-半高宽仅为25-30弧秒。
Kyma生产的材料已经被用来产生一些结果非常令人鼓舞的器件。这些器件的击穿场强高达5.5mV cm-1左右，Baliga系数超过1GW cm-2，这一数值非常接近SiC的理论极限。
这样的结果突出了Ga2O3的巨大前景。由于SiC和GaN似乎有光明的未来，这种氧化物还需要一段时间才能真正产生重大影响，但毫无疑问，无论是在CS International还是在电力电子行业，预兆都是向好的。
由于具有令人难以置信的禁带宽度、浅的施主能级，并且可以通过熔体法进行生长，Ga2O3 成为有史以来最有希望的电力电子器件材料。
△ 图1：一旦考虑到掺杂活性水平，根据Baliga系数，Ga2O3就成为最有希望的超宽带隙半导体。此图表摘自Y. Zhang et al. Semicond. Sci. Technol. 35 125018 (2020).
Akito Kuramata是Novel Crystal Technology公司的首席执行官，该公司是一家Ga2O3衬底和外延片的供应商。该公司计划扩大到基于这种氧化物的二极管和晶体管的生产。
△ 图2：NCT计划增加其生产的衬底的直径，并根据Baliga系数，将业务扩展到Ga2O3二极管和晶体管的生产。图取自Y.Zhang等人的Semcond.Sci.Technol. 35 125018（2020）
△ 图3：对于大直径Ga2O3材料的高速生长，导模法生长提供了无与伦比的结果。
使用垂直布里奇曼技术，NCT已经生产了2英寸(010)衬底
Kyma的首席执行官希瑟·斯普朗倡导用HVPE生产高压电力电子产品
△ 图4：NCT采用垂直布里奇曼法生长高品质 Ga2O3。
使用HVPE，Kyma已经在2英寸的自支撑衬底上生长了16.7微米厚的Ga2O3层，厚度变化为±3%。该外延层中施主和受主浓度的差值范围为2.7×1016cm-3到5.8×1016cm-3
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