世界首次氧化鎵反型DI-MOS晶體管開發取得重大進展
株式會社NCT（總部：埼玉縣狹山市、社長：倉又郎人）在防衛裝備廳 安全保障技術研究推進制度（JP004596）【反型層MOS溝道型氧化鎵晶體管的研究開發 】中，開發了具有閾值電壓高至6V的1kV高壓氧化鎵 反型層雙注入型MOS晶體管（DI-MOSFET）基本原型。這一成果是氧化鎵（β-Ga2O3）的世界首例突破性進展，具有劃時代意義。
這一開發成果將極大地推動中高壓（0.6-10kV）氧化鎵晶體管的發展，這將使電力電子技術的價格降低，提高性能。在未來，該技術可以使電力電子設備電源轉換效率提高，讓如光伏發電的功率轉換器、工業通用變頻器等器件小型化，從而促進汽車的電動化、飛行汽車等發展。本次成果詳細的報告將在2022年9月21日舉行的第83屆應用物理學會秋季會議 【寬禁帶半導體MOS界面科學的最前線】研討會上公布。
1.概要
作為硅的高性能替代品材料氧化鎵（β-Ga2O3）※1與同樣正在進行開發的碳化硅（SiC）※2和氮化鎵（GaN）※3相比，具有優異的材料物性和低成本的晶體生長方法等優點，能夠生產出低損耗和低成本的功率器件※4。氧化鎵預計將被廣泛應用于電力電子設備，包括家電、電動汽車、軌道車輛、工業設備、太陽能和風能發電等領域。此外，因為它能使為可搭載其器件的電氣設備更加小型化、提高能源使用效率，國內外公司和研究機構正在加速研究和開發。
株式會社NCT從2019年開始一直致力于β-Ga2O3晶體管商品化，受到防衛裝備廳 安全保障技術研究推進制度 【10kV級氧化鎵溝槽MOSFET的研究與開發 】、【反型層MOS溝道型氧化鎵晶體管的研究開發】項目支持下，目前在世界首次，通過離子注入受主雜質※5氮（N）※6，激活熱處理※7工藝、在阱層※8添加高電阻率的Ga2O3層，實現了擊穿電壓高達1kV，具有足夠高閾值電壓※9 6.6V的氧化鎵反型雙注入型MOS晶體管（DI-MOSFET）※10的器件原型。本次開發成果將極大地推動中高壓（0.6-10kV）氧化鎵晶體管的開發，實現電力電子技術的低價格化、高性能化。
2.本次的成果
到目前為止，NEDO（日本新能源產業的技術綜合開發機構）的β-Ga2O3晶體管因為p型導電層※11技術尚未成熟，使用的是不需要p型層的Fin結構※12。然而，Fin結構需要0.4μm以下的微觀結構，并需要很好尺寸控制。因此，使用步進光刻機※13和干式蝕刻設備*14在4英寸和6英寸生產線上進行量產時，很難制造出電流為幾十A、具有幾mm見方的芯片 尺寸的大型器件，成品率不高。
對此，NCT一直在進行反型MOS溝道結構的開發，該結構尺寸可以使用傳統的步進光刻機和干式蝕刻設備制造，具有比較好的量產生產可行性。本次研究中，我們用離子注入受主雜質的氮（N），通過活性化熱處理工藝、在well層添加高電阻率的Ga2O3層來代替技術層面尚不成熟的β-Ga2O3 p型導電層。用于評估遷移率而制造的長通道（LCH=100μm）平面晶體管實現了6.2V的高閾值電壓，顯示了Fin結構無法取得的優勢；與SiC相比，MOS溝道遷移率更高，達到52cm2/Vs（圖1）。
此外，使用該工藝制造的反型DI-MOS晶體管（圖2），在N+離子注入濃度為1´18 cm-3時， 閾值電壓達6.6 V。而當N+離子注入濃度增加到3´18 cm-3以上時，確認了關斷電壓可達1.1kV（圖3）。這項研究表明，N+離子注入過的高電阻率β-Ga2O3層可以作為p型導電層，也可以作為閾值電壓控制層和電流阻斷層。另外，本次試做的DI-MOSFET溝道長度※15為 10μm，導通電阻還較高，達153 mΩcm2，但我們期望通過步進式光刻設備使元件小型化來實現低于10 mΩcm2的特性。新開發的DI-MOSFET器件和工藝能夠使用4-6英寸的量產線開發大尺寸元件，將會很大程度上推動低功耗Ga2O3功率晶體管的開發。
3.未來計劃
NCT將繼續借助本次防衛裝備廳的委托項目，在成功制作原型反型MOS晶體管中基礎上，探究N摻雜β-Ga2O3高電阻層的特性和機理。此外，我們將在一條4英寸的量產代工線上依次進行器件開發、改善器件特性，調試制造工藝、確?？煽啃缘妊邪l工作，目標在2025年實現產品的實用化。我們還將繼續開發全Ga2O3功率模塊，將之前已經商業化氧化鎵肖特基勢壘二極管（SBD）※16和與新型MOS器件相結合。
預計此成果將適用于中高耐壓高速晶體管、高速二極管的市場，市場規模預期在2025年將擴大到79億日元，2030年達到470億日元（引自富士經濟《2022年版 下一代功率器件和電力電子相關設備市場的現狀和未來展望》）。NCT將用β-Ga2O3晶體管、SBD和全β-Ga2O3組件進入市場，為節能型社會作出貢獻。
■ 術語解釋
※1 氧化鎵（β-Ga2O3）。
Gallium Oxide， 鎵和氧的化合物，是寬禁帶半導體之一。
※2 碳化硅（SiC）
Silicon Carbide，硅和氧的化合物，是寬禁帶半導體之一。
※3 氮化鎵(GaN)
Gallium Nitride，鎵和氮的化合物，是寬禁帶半導體之一。
※4 功率器件
能夠控制高電壓和大電流的半導體元件，用于電源轉換設備，如逆變器。
※5 受主雜質
半導體中的雜質，捕獲電子并帶負電。 一般來說，電子的捕獲會在半導體中產生空穴，使其成為p型半導體。
※6 離子注入
這是在半導體中形成摻雜的技術之一。 摻雜原子在幾十到幾百kV的電壓下被電離和加速并被注入到半導體中。
※7 激活熱處理
熱處理，以恢復離子注入過程中對半導體造成的損傷，并促進注入雜質的電活性。通常使用的溫度為600-1200℃。
※8 well層
晶體管中源極和漏極之間的電流由柵極控制的那一層。
※9 閾值電壓
在晶體管中電流開始流動時的柵極電壓。
※10 反型雙注入式MOS晶體管（DI-MOSFET）
MOS場效應晶體管是通過將兩種類型的摻雜，形成n型層和p型（高電阻）層，分兩次離子注入所需區域而形成。在反型層中，當正電壓施加到柵極時，電子在電介質/p型（高電阻）層界面上聚集，電流流動。
※11 p型導電層
一種半導體層，其中導電半導體中的載流子是空穴而不是電子。
※12 Fin結構
柵極位于溝道兩側或環繞溝道形成雙柵結構，因其形狀像Fin（魚鰭）而被稱為Fin結構。
※13 步進光刻機
具有縮微投影功能的曝光系統，被廣泛用于半導體量產線。
※14 干式蝕刻設備
通過在真空中釋放反應性氣體，從而對絕緣薄膜和半導體材料進行微加工的設備。
※15 溝道長度
晶體管中由柵極控制區域的電流方向長度。
※16 肖特基勢壘二極管（SBD）
利用了肖特基勢壘整流特性的二極管。當半導體和金屬結合在一起時，電流只向一個方向流動；與PN結二極管相比，肖特基勢壘二極管具有低開關損耗的優勢。
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本文轉發自CJGO公眾號《中日氧化鎵產業技術交流》