CINNO Research產業資訊，由日本電子零部件企業田村製作所和AGC等出資成立的Novell Crystal Technology，與佐賀大學合作成功開發出第三代氧化鎵100mm外延片。這次研發屬于NEDO（日本國立產業技術綜合開發機構）戰略節能技術創新計劃中, "β-Ga2O3肖特基勢壘二極管商業化開發 "項目的一部分。在本次研發中，外延片制造技術得到了改進，將抑制大電流氧化鎵功率器件發展的降低擊穿電壓特性的缺陷減少到上一代產品的十分之一。
據NEDO官網介紹，這一研發成果將能夠使氧化鎵功率器件被廣泛應用于需要100A級功率器件的市場，如電車、工業設備和電動汽車等，并有望在實現碳中和以及節能方面取得重大進展。
圖1 使用第三代β-Ga2O3 100mm外延片制作的肖特基勢壘二極管樣品
最大芯片尺寸10mm×10mm
1.概述
氧化鎵（β-Ga2O3）作為一種能夠以低成本實現低功率損耗的功率器件新材料而備受關注。功率器件在各種電氣設備中被用于控制電壓和電流，如家用電器、汽車、電車和工業設備等。傳統的功率器件一般使用硅制成，但在功率控制過程中產生的功率損失問題一直亟需解決。為降低功率損失，研究人員正在開發由碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）制成的功率器件，但如果使用β-Ga2O3，則可以進一步減少功率損失并降低電氣設備的功耗。此外，由于可以使用比SiC和GaN更快的制造方法，因此預期成本會降低。所以，目前日本及其它國家都在積極推進研發，以期早日實現β-Ga2O3功率器件的商業化。
在這一背景下，Novell Crystal Technology與佐賀大學在NEDO的戰略節能技術創新計劃下，共同啟動了 "β-Ga2O3功率器件 "項目，旨在實現β-Ga2O3功率器件商業化。在本次研究中，通過改進β-Ga2O3外延片的制造技術，研究人員成功地開發出了第三代β-Ga2O3 100mm外延片，器件擊穿電壓特性的缺陷降低至上一代外延片的十分之一，同時完成了300A～500A級的大型氧化鎵肖特基勢壘二極管的原型樣品制作。這將使β-Ga2O3功率器件能夠被廣泛應用于電動汽車等需要100A級功率器件的市場中。通過廣泛應用這一研究成果，預計2030年左右，以原油計算的節能效果將超過10萬千升/年，隨著全球節能化的持續推進，預計2050年左右將在碳中和方面取得重大成效。
2.本次研究成果
Novell Crystal Technology之前已經開發出了將β-Ga2O3外延片放大到100mm的外延成膜設備，并已將其用于第二代β-Ga2O3100mm外延片進行生產和銷售。然而，在第二代100mm外延片中，幾乎每平方厘米含有大約10個缺陷，這些缺陷降低了器件的擊穿電壓特性，使其無法用于制造大型器件，并將電流值限制在10A左右。為了解決這一問題，Novell Crystal Technology在與佐賀大學的聯合研究中發現，產生缺陷主要原因是由外延式沉積成膜過程中產生的一種特定粉末造成的。之后，通過改善成膜條件，成功制造出了第三代β-Ga2O3100mm外延片，缺陷降低到0.7個／cm2，不到上一代產品的十分之一。
[1] 驗證薄膜厚度和供體濃度的面內分布
首先，研究小組調查了在改進條件下制造的第三代β-Ga2O3100mm外延片的薄膜厚度和供體濃度的分布。用于功率器件的外延片不僅是缺陷密度，還在薄膜厚度和供體濃度方面要求具有高度的均勻性。在外延片上的9個點測量的薄膜厚度分布和供體濃度分布被發現差額非常小，分別約為10μm±5%和1×1016cm -3±7%，這對功率器件來說已經不成為問題，并且改進到了第二代外延片的大約七分之一。
圖2 第三代β-Ga2O3100mm外延片的（a）薄膜厚度分布和（b）供體濃度分布
[2] 驗證缺陷密度
接下來，研究小組以此外延片為基礎，制造了一個β-Ga2O3肖特基勢壘二極管的原型，并對其電性能和缺陷密度進行了評估。在圖1所示的晶圓表面的多個電極圖案中，最大的是本次評估中使用的10mm×10mm的β-Ga2O3肖特基勢壘二極管。這些二極管的電流-電壓特性如圖3所示。觀察圖3(a)中的正向特性，電流在0.8V左右開始流動，并上升到一個恒定的水平，表明已經獲得了正常的正向特性。最大的電流值是50A，但這是由于用于測量的設備（探測儀）的限制，此設備最大可以流過300A～500A的電流。接下來，觀察圖3(b)中的反向特性，即使施加約200V的電壓，漏電流也能被抑制到約10-7A。據估測，通過在該設備上增設一個電極終端結構，預計可以實現600V～1200V的耐擊穿電壓。
10mm×10mm的β-Ga2O3肖特基勢壘二極管原型的逆向特性良好率為51%，從該值和本次實驗中使用的電極尺寸來看，可推測缺陷密度約為0.7個／cm2。這表明在制造100A級β-Ga2O3功率器件時，成品率可達80%。
圖3 肖特基勢壘二極管的（a）正向和（b）逆向的電流-電壓特性
3.未來計劃
NovellCrystal Technology將為新開發的第三代β-Ga2O3100mm外延片建立生產線并盡快啟動銷售。今后，將努力擴大供體濃度和薄膜厚度的指定范圍，同時進一步減少缺陷和實現晶圓的大口徑化。在NEDO的項目中，Novell Crystal Technology已經成功地實際驗證了引入溝槽結構的1200V耐壓功率的低損耗β-Ga2O3肖特基勢壘二極管。今后，將繼續推進開發該產品時構建的1200V耐壓溝槽型肖特基勢壘二極管的量產技術。
關于Novel Crystal Technology
2015年6月成立，從田村制作所獨立（carve out）出來的子公司，，定位于“NICT技術轉移企業”，主攻新一代功率半導體材料之一氧化鎵外延晶圓的研究開發。2022年資本金接近10.5億日元。
