智物創新
導讀
近日，日本情報通信研究機構與東京農工大學演示了一種縱向的氧化鎵（Ga2O3） 金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET），它採用「全離子注入」工藝進行N型與P型摻雜，為低成本、高可製造性的新時代 Ga2O3 功率電子器件鋪路。
背景
功率電子學，是涉及在電機驅動器、電動汽車、數據中心、電網等應用中的電力控制與轉換的學科。功率電子器件，即整流器（二極體）和開關（電晶體），組成了電力電子電路的核心元件。
二極體（圖片來源：維基百科）
電晶體（圖片來源：維基百科）
我們身邊隨處可見各式各樣的功率電子器件，它們一般可用於改變電壓或者交直流電轉換，例如：可攜式電子設備充電的移動電源、電動汽車的電池組、電網本身的輸變電設備。
如今，主流的功率器件由矽（Si）組成，但是這種功率器件正逼近其基本性能極限，致使商用的功率系統變得笨重而低效。
基於寬禁帶半導體氧化鎵（Ga2O3）的新一代功率器件，有望徹底變革電力電子工業。
β-氧化鎵晶體結構示意圖（圖片來源：維基百科）
寬禁帶半導體材料（禁帶寬度大於2.2eV）被稱為第三代半導體材料，主要包括金剛石、SiC、GaN等。與第一代、第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有禁帶寬度大，電子飽和漂移速度高、介電常數小、導電性能好等優勢。基於寬禁帶半導體材料的電路與傳統矽基電路相比，功率密度更高、功耗更低。Ga2O3
通過「在器件級別」提升功率密度與功率轉換效率，有望大幅削減功率系統的尺寸、重量、成本和能耗。
之前，筆者曾經介紹過一篇在美國物理聯合會出版的《應用物理快報（Applied Physics Letters）》雜誌上發表的一篇論文3，在論文中，研究人員通過新實驗展示了將「寬禁帶半導體材料 Ga2O3」設計到納米結構中，使得電子在晶體結構中移動得更快。因為電子如此「輕鬆」地流動，所以Ga2O3 有望成為用於高頻通信系統與節能電力電子器件的理想材料。
（圖片來源：Choong Hee Lee 和 Yuewei Zhang）
創新
近日，日本情報通信研究機構（NICT）與東京農工大學（TUAT）演示了一種「縱向的」氧化鎵金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET），它採用「全離子注入（ all-ion-implanted ）」工藝進行N型與P型摻雜，為低成本、高可製造性的新時代 Ga2O3 功率電子器件鋪路。
技術
2011年，NICT 開創性地演示了首個單晶體 Ga2O3 電晶體，從而引發了密集的國際科研活動，對於這種新型氧化物半導體的科學與工程展開研究4。
過去幾年來，Ga2O3 電晶體的開發集中於研究橫向幾何結構。然而，由於器件面積較大、發熱帶來的可靠性問題、表面不穩定性，橫向器件不容易經受住許多應用所需的「高電流與高電壓」的考驗。
相比而言，縱向幾何結構能以更高的電流驅動，不必增加晶片尺寸，從而簡化了熱管理，並帶來「好得多」的場終止。縱向電晶體開關的特性，是通過向半導體中引入兩種雜質（摻雜劑）來設計的。開關「打開」時，N型摻雜，提供移動的載流子（電子），用於攜帶電流；開關「關閉」時，P型摻雜，會啟動電壓阻斷。
Masataka Higashiwaki 領導的 NICT 科研小組率先在 Ga2O3 器件中使用矽（Si）作為N型摻雜劑，但是科學界長期以來一直在為找到一種合適的P型摻雜劑而努力。今年早些時候，同一科研小組，公布了用氮（N）作為P型摻雜劑的可行性5。他們最新的成果包括首次通過高能量摻雜劑引入工藝，即所謂的「離子注入」，整合矽與氮摻雜，設計出一個 Ga2O3 電晶體。
12月3日，這項研究以早期訪問的在線論文形式發表在《IEEE Electron Device Letters》期刊上2，並計劃在該期刊2019年1月出版的那一期上發表。這項研究構建在一項更早的研究基礎上，那項研究中採用了不同的受體摻雜劑6。
綠色 ICT 器件高級開發中心的研究員、這篇論文的領導作者 Man Hoi Wong 表示：「我們一開始研究用鎂進行P型摻雜，但是這種摻雜劑無法提供期望的性能，因為它在高溫處理的情況下會擴散。氮，從另一方面來看，熱穩定性高很多，從而為高壓 Ga2O3 器件的設計與製造提供了獨特的機遇。」
用於製造縱向 MOSFET 的 Ga2O3 基礎材料，是通過一種稱為「鹵化物氣相外延（HVPE）」的晶體生長技術生產的。HVPE 由 TUAT 教授 Yoshinao Kumagai 與 Hisashi Murakami 開創，能以「高速度、低雜質水平」生長單晶 Ga2O3 薄膜7。研究人員們實施了三個離子注入步驟，形成了 MOSFET
中的N型接觸、N型溝道、P型電流阻斷層（CBLs）(圖一)。這個器件展示出相當好的電氣特性，包括 0.42 kA/cm2 的導通電流密度，31.5 mΩ·cm2 的特定導通電阻，以及大於八個數量級的高漏極電流開關比(圖二)。通過改善柵極絕緣層的品質以及優化摻雜方案，其性能很容易得到進一步改善。
圖一，縱向 Ga2O3 MOSFET （a）截面示意圖與（b）平面視圖光學顯微圖（圖片來源：NICT）
圖二，縱向 Ga2O3 MOSFET （a）直流輸出與（b）轉移特性（圖片來源：NICT）
價值
NICT 綠色 ICT 器件高級開發中心主任 Higashiwaki 表示：「我們的成功在於一項突破性的開發，有望對 Ga2O3 功率器件技術產生變革性的影響。「離子注入」是一項多功能製造技術，在諸如矽與碳化矽（SiC）金屬氧化物半導體場效應晶體等商用半導體器件的量產中廣泛採用。對於全離子注入的縱向 Ga2O3 電晶體的演示，極大改善了基於 Ga2O3 的功率電子器件的前景。」
Higashiwaki 和 Wong 表示：「縱向功率器件是最強大的競爭者，它可以將超過 100A 的電流與超過 1kV 的電壓結合起來，這樣的結合是許多媒介物所要求的，也是電力工業和汽車電力系統所需要的。」
Ga2O3 的技術影響將受到通過「熔融法」生長的天然物質的充分支持，這種物質是矽工業的關鍵賦能者之一。矽工業主導了全球半導體市場，每年的回報達幾千億美元。研究人員解釋道：「縱向碳化矽（ SiC ）與氮化鎵 （GaN）功率器件已經在某種程度上，受到襯底高成本的阻礙。對於 Ga2O3 來說，高質量與大尺寸的天然襯底，相對於目前採用的寬禁帶 SiC 與 GaN
技術，為這種迅速湧現的新興技術提供一個獨特且顯著的成本優勢。」
關鍵字
電晶體、半導體、功率器件、氮化鎵
參考資料
1http://www.nict.go.jp/en/press/2018/12/12-1.html
2https://ieeexplore.ieee.org/document/8556005
3Yuewei 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
4M. 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.
5M. 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.
6M. 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.
7H. 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.
