Novel Crystal Technology-缺陷率降低了10倍的第三代氧化镓外延片

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第三代β-Ga2O3 100mm外延片上的肖特基势垒二极管原型。最大芯片尺寸为10毫米x10毫米。

在日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的“战略节能技术创新计划”中，Novel Crystal Technology公司致力于β-Ga2O3肖特基势垒二极管的商业开发，并与佐贺大学合作开发了第三代氧化镓100mm外延片。在这一发展过程中，Novel Crystal Technology和佐贺大学改进了外延晶片制造技术，并将致命缺陷的数量减少到传统晶片的十分之一。这种缺陷降低了器件的击穿电压特性，并阻碍了提高氧化镓功率器件电流的努力。

这一发展使得商业上在火车、工业设备和电动车辆中使用所需的100A级氧化镓功率器件成为可能，并将导致节能和碳中和的进步。

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图1.（a）第三代β-Ga2O3 100mm外延片膜厚度分布和（b）施主浓度分布

近年来，氧化镓（β-Ga2O3）作为一种低成本、低功耗的新型功率器件材料开始受到广泛关注。功率器件用于控制从家用电器、汽车、火车到工业设备的各种电气设备中的电压和电流。传统的功率器件由硅制成，但在功率控制过程中会出现功率损耗。为了减少这种损耗，各种机构正在开发由SiC和GaN制成的功率器件。β-Ga2O3是SiC和GaN有吸引力的替代品，因为它可以进一步降低功率损耗，降低器件的功耗。此外，由于β-Ga2O3的制造方法比SiC或GaN的制造方法快，因此可以预期其经济性较好。由于这些原因，日本和海外目前正在进行旨在商业化β-Ga2O3功率器件的研究和开发。

在这样的背景下，NEDO（日本新能源产业技术综合开发机构）的战略性节能技术创新项目中，Novel Crystal Technology和佐贺大学一直致力于β-Ga2O3肖特基势垒二极管的商业开发。通过改进β-Ga2O3外延晶片的制造技术，他们成功地将降低器件击穿电压特性的致命缺陷数量减少到前一代β-Ga2O3 100mm外延晶片的十分之一。此外，他们最近成功地开发了一种大电流的300A至500A级氧化镓肖特基势垒二极管。这种新型二极管将使100A级β-Ga2O3功率器件在电动汽车等广泛市场上的部署成为可能。这一发展的节能效果预计到2030年代每年将等效节省超过1亿升原油，成为2050年实现碳中和的主要贡献。

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图2. 肖特基势垒二极管（a）正向和（b）反向的电流-电压特性

Novel CrystalTechnology之前开发了第二代外延沉积设备，用于将β-Ga2O3外延晶片的尺寸放大到100mm，该晶片目前正在生产和销售。这种晶圆每平方厘米约有10个缺陷，会降低器件的击穿电压特性，这意味着这些晶圆不能用于制造大型器件，电流限制在10A左右。通过与佐贺大学的合作，Novel Crystal Technology已经确定，缺陷主要来自于在外延沉积过程中产生的特殊粉末。通过改善外延沉积条件，Novel Crystal Technology已经开发出第三代β-Ga2O3 100mm外延晶片，其缺陷密度仅为0.7个/平方厘米，不到第二代晶片的十分之一。

成功来自于对在改进条件下制备的第三代β-Ga2O3 100mm外延片的膜厚度分布和施主浓度分布的研究（结果如图1所示）。用于功率器件的外延片要求膜厚度和施主浓度的高度均匀性以及低缺陷密度。在外延片平面上的九个点测得的膜厚度分布和施主浓度分布非常小，分别约为10μm±5%和1×1016cm-3±7%。这大约是第二代外延晶片的七分之一，对功率器件来说没有问题。

在新的外延晶片上制作β-Ga2O3肖特基势垒二极管的原型，并评估其电气特性和缺陷密度的工作继续进行。晶片表面最大的电极构型是10mm×10mm β-Ga2O3肖特基势垒二极管。正向特性（如图2（a））显示电流从约0.8V开始流动并稳定上升，并获得正常正向特性。由于用于该测量的设备（探头）的限制，测量中最大电流为50A，但器件电流最大为300至500A。反向特性（如图2（b））表明，即使施加约200V，泄漏电流也可以被抑制到约10-7A。下一步，估计通过将电极端接结构并入器件中可获得约600至1200V的击穿电压。

原型二极管的反向特性成品率为51%，根据该值和电极尺寸，缺陷密度估计约为0.7个/cm2。这意味着100A级β-Ga2O3功率器件可以以约80%的良率制造。

Novel CrystalTechnology将推出新的第三代β-Ga2O3 100 mm外延晶片生产线，并在不久的将来开始销售其晶片。它将继续努力进一步减少缺陷，增加晶圆直径，同时扩大施主浓度和膜厚度的可用范围。在NEDO的项目中，Novel Crystal Technology已经成功展示了一种具有沟槽结构和1200V击穿电压的低功率损耗β-Ga2O3肖特基势垒二极管。Novel Crystal Technology将继续利用其未来开发的产品，为耐压沟槽型肖特基势垒二极管创造大规模生产技术。

NEDO的目标是实现与经济增长相适应的可持续节能。正如其“节能技术战略”所述，此类开发工作将导致技术商业化，这些技术将在21世纪30年代在能源、工业、消费和交通部门产生显著的节能效果。

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