氧化鎵材料與功率器件的研究進展

何云龍，洪悅華，王羲琛，章舟寧，張方，李園，陸小力，鄭雪峰，馬曉華

(西安電子科技大學微電子學院，西安 710071）

1 引言

隨著國家“碳達峰、碳中和”戰略的實施，節能減排、提升轉換效率是目前能源領域的重要發展方向。功率半導體器件是功率轉換的核心，為了實現該戰略目標，超大功率、高轉換效率、小體積的功率器件成為研究熱點。目前，以Si、Ge為代表的第一代半導體器件經過幾十年的芯片制造、器件結構、封裝和應用技術的不斷優化，已接近或達到材料的物理極限，未來發展空間有限。因此，依靠現有Si基功率器件已經無法滿足功率半導體器件小型化、高效率的工作需求，尋找并開發性能優異的半導體材料逐漸成為國內外研究者的主攻方向。以氧化鎵（Ga2O3）為代表的超寬禁帶半導體材料，具有超寬的禁帶寬度（約4.8 eV）和超高臨界擊穿場強（約8 MV/cm），因此具有擊穿電壓高、輸出功率大等優點，成為目前的研究熱點之一。

與常見的寬禁帶半導體GaN、SiC相比，Ga2O3材料的遷移率雖然不高，但是其擊穿場強超大，電子飽和速度快，在高壓低導通的電力電子領域具有巨大的優勢。Ga2O3材料目前已知的晶相共有6種，其中，β-Ga2O3的熱穩定性最高，單晶生長質量最好，是制備器件的最佳選擇。基于β-Ga2O3制備的功率電子器件，Baliga品質因數是GaN器件的4倍，是SiC器件的10倍，是Si器件的3444倍。因此在相同的工作電壓下，β-Ga2O3器件導通電阻更低、功耗更小，進而能夠極大地降低器件工作時的電能損耗。此外，β-Ga2O3單晶襯底與藍寶石襯底的制備工藝類似，可以通過金屬熔融法直接獲得，目前4英寸Ga2O3單晶襯底工藝已經相對成熟，成本有望降至同尺寸SiC襯底的三分之一，因此在低成本方面具有極大的潛力。……