世界上首个纵向氧化镓晶体管研制成功！

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（Applied Physics Letters）》杂志上发表的一篇论文【3】，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：Choong Hee Lee 和 Yuewei Zhang）

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

2011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【4】。

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。

Masataka Higashiwaki 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【5】。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《IEEE Electron Device Letters》期刊上【2】，并计划在该期刊2019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【6】。

绿色 ICT 器件高级开发中心的研究员、这篇论文的领导作者 Man Hoi Wong 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 Yoshinao Kumagai 与 Hisashi Murakami 开创，能以“高速度、低杂质水平”生长单晶 Ga2O3 薄膜【7】。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 0.42 kA/cm2 的导通电流密度，31.5 mΩ·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 Ga₂O₃ MOSFET （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 Ga₂O₃ MOSFET （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 100A 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

【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.

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