FLOSFIA解决氧化镓的P层问题
世界上首次通过超宽禁带P型半导体“氧化铱镓”组合的构造，成功证实了结势垒效应。
一、此项研究开发的要点
FLOSFIA对半导体高速发展产生的3种环境（能源、工艺、材料）负荷做出的改进措施命名为“半导体生态学” ※1，并将其作为最终目标。以促进京都大学研发的新型功率半导体※2“氧化镓（Ga2O3）” ※3的普及为目标。实现半导体生态学，可最大限度地激发氧化镓的物性参数。FLOSFIA认为这对实现于优质P型半导体与氧化镓结合应用是不可缺少的。
图1、仅用氧化镓制成的器件与结合P型半导体制成的器件的比较。
从2016年FLOSFIA与京都大学合作至今，成功研制出与氧化镓具有相同晶体结构的新型P型半导体“氧化铱（α-Ir2O3）”，进一步推进了新型P型半导体层的器件验证。本次，FLOSFIA利用最先进的碳化硅（SiC）二极管中使用的JBS构造※4应用于氧化镓器件，并通过嵌入氧化铱镓[α-(IrGa)2O3] ※5薄膜作为P型半导体层，全世界首次成功证明了结势垒效应有效的抑制漏电电流（图2、图3）。
本研究中使用的氧化铱镓为超宽禁带半导体※6，具有约5 eV的超大带隙和1×1019 cm-3的高空穴浓度，表明其可以应用于基于高电场的广泛的器件设计。氧化镓器件可以与这种氧化铱结合起来，最大限度地发挥其作为各种功率器件（如SBD、MOSFET和IGBT）的特性，允许大电流在小芯片上流动。另外，我们认为可以通过降低设备成本等，在实现半导体生态学方面取得重大进展。
二、研究成果
首先，在氧化镓n层的一部分中制成沟槽结构，新型P型半导体嵌入其中并进行了晶体生长（图2）。 FLOSFIA专有的Mist Dry法※7用于晶体生长，芯片尺寸约为0.9mm，沟槽结构的线和空间尺寸（L\S）各为1μm。
之后，将制作好的JBS构造芯片置于反向电压下，以检查嵌入的氧化铱镓结构对漏电电流抑制的效果（为了比较，使用同一晶圆制作的SBD）。当温度从25℃增加到125℃时，抑制效果会更大。
图2 、应用于JBS构造的氧化铱镓
（a）JBS构造的横截面结构 （b）显微镜俯视图
图3、逆方向特性
（由结势垒效应成功抑制漏电电流） （温度上升，抑制效果增强）
（a）25°C电气特性 （b）125°C电气特性
三、今后的工作
本次研究的成果JBS结构，计划应用于FLOSFIA的刚玉型氧化镓（α-Ga2O3）功率器件“GaO”系列的第二代二极管方面。低起始电压有望造成顺向电压压降Vf降低，迄今为止具有特征的除高速运行外，频率在100kHz以下的领域中，使用的变频器及其他多种变换器的应用。之后的目标是将新型P型半导体“氧化铱镓”应用于MOSFET和IGBT等晶体管。举例来说，变换器包括AC适配器等商用电源、机器人的驱动电路、电动汽车、空调或冰箱等白色家电、太阳能电池的功率调节器等， 旨在利用GaO电源设备，以突破“转换器的小型化和低成本的限制”※8。根据设备类型的不同，转换器的微型化程度可以达到几十分之一，成本降低的效果预计可以达到整个功率转换器的50%（FLOSFIA估算）。
四、用语说明
※1 “半导体生态学”
通过最大程度减少因半导体的高速发展对全球生态环境的影响而做的努力，命名为“半导体生态学”。为实现综合性的生态学，减少能源损失 【低能源损耗】，减少制造过程中损失的 【低工艺损耗】，以及减少外围电路・系统中有限的地球资源损失【低物理损耗】，为可持续的新未来作出的贡献。FLOSFIA正在与多家公司合作，以实现极致的半导体生态学为目标。
※2“功率半导体”
用于功率转换的半导体，能够比一般半导体承载更高的电压和更大的电流。用于功率器件，如晶体管、二极管和晶闸管。
※3“氧化镓（Ga2O3）”
作为一种功率半导体的新材料备受瞩目。有多种晶体结构，已知有刚玉结构（α结构），以及β-镓结构（β结构）。相比于β-镓结构是一种只采用氧化镓的特殊晶体结构，刚玉结构除氧化镓之外还有蓝宝石和氧化铟等，期待在异质堆积的晶体生长和器件中的应用。
※4“JBS构造”
结势垒肖特基结构。从嵌入的新型P型半导体层中扩散出来的耗尽层减轻了肖特基界面的电场强度，减少了漏电电流。
※5“氧化铱镓[α-(IrGa)2O3] ”
三元混合晶体，具有刚玉结构，由镓、铱和氧组成。
※6“超宽禁带半导体”
SiC和GaN的带隙约3 eV，称为宽禁带半导体，而氧化镓、金刚石和AlN的带隙甚至比这些更大（一般为4 eV或更大）。
※7“Mist Dry法”
京都大学藤田静雄教授和研究小组开发的Mist CVD法，是FLOSFIA独家改进的沉积法；FLOSFIA利用Mist Dry方法合成氧化镓并控制其杂质浓度。
※8“转换器的小型化和低成本的限制”
对于转换器的小型化、低成本化，工作频率的高频率化被认为是必要的。当使用硅(Si)时，很难使功率转换器小型化。例如，因为在高频率下工作时，转换损耗会增加，而且需要额外的散热措施。作为新型半导体材料的碳化硅（SiC），虽然可以实现高频操作中转换器的小型化，但由于其合成方法和工艺技术的特殊性，限制了其成本效益。
本文转载自《亚洲氧化镓联盟》公众号