氮化镓即将实现产业化

近年来，GaN电力半导体的研发日益活跃。与采用Si电力半导体相比，GaN电力半导体应用于逆变器、转换器等的电力转换装置，可大幅提高效率，并实现小型化。富士通研究所与古河电气工业等组成的企业集团、美国IR公司、日本三垦公司、NEC与NEC电子组成的企业集团以及松下公司均已着手研发该类产品。

目前，GaN电力半导体研发的焦点之一是底板的选择。GaN底板有助于提高GaN电力半导体的电气特性，但价格较高。为了控制成本，越来越多的厂商选择采用Si底板和SiC底板等特殊底板。GaN电力半导体之所以能够提前进入产业化阶段，是因为在降低制造成本和改善特性方面取得进展。降低成本的关键在于使用Si底板和SiC底板等比GaN底板价格便宜的新型底板。在GaN底板上制造GaN电力半导体，虽然能够获得很好的电气性能，但是GaN底板的价格约为Si底板的100倍。另外，GaN晶圆的直径只有2英寸，难以降低制造成本。

除Si底板外，还可以采用SiC底板低成本制造GaN电力半导体，可利用的最大直径为4英寸。日本富士通公司研究显示，考虑到元件的成品率等因素，采用SiC底板制造GaN电力半导体可能比使用Si底板成本更低。

一般而言，使GaN半导体在Si底板和SiC底板等异种底板上生长结晶并不容易。因为上述底板的线膨张系数及晶格常数等与GaN不同，容易产生结晶缺陷。富士通研究所指出，在异种底板和GaN半导体之间设置缓冲层可以解决这一问题。事实上，其他公司已用过类似方法，如采用Si底板制造LED产品。

2006年，松下公司宣布成功开发出采用GaN半导体的晶体管，计划用于通用逆变器电路和电源电路等使用大功率开关的元件。该晶体管的元件面积仅为原有同类产品的1/8，而结构改进可令导通电阻降为原有同类产品的1/3左右。2010年，松下公司发布了在单芯片上集成6个元件的Si底板产品。与采用其他元件构成的逆变器相比，该产品可实现逆变器小型化，并降低寄生电感。事实上，寄生电感越小，越有利于实现高速开关。与采用硅制IGBT构成的逆变器进行电力损失对比，在输出功率为20W时，该产品可使电力损耗减少约42%。

日本碍子公司宣布成功开发出可将LED光源的发光效率提高1倍的GaN底板。利用这种新型GaN底板制造的LED元件的内部量子效率提高了1倍以上，可使发光效率达到现有LED光源的2倍200lm/W。这意味着在耗电量降低50%的同时大幅减少发热量，从而实现照明器具的长寿命及小型化。此项技术也可应用于混合动力车和电动汽车的电力半导体以及无线通信基站的功率放大器等产品。

与此同时，日本三菱化学公司计划于2012年10月开始大批量生产用于LED的GaN底板。由于具有较高的电能转换率，采用GaN底板的LED灯具的耗电量可比现有产品降低50%~70%。与现有采用蓝宝石底板的同类产品相比，GaN底板虽然具有电力损耗较低等优点，但是存在制造成本偏高的问题。目前三菱化学公司已开发出新的生产工艺流程，计划于2015年将GaN底板的制造成本降低为目前的1/10。

未来的氧化镓器件

近期，日本信息通信研究机构NICT发布了Ga2O3晶体管研制成功的消息。与SiC和GaN相比，Ga2O3在低成本、高耐压且低损耗方面显示出较大的潜力，备受业界关注。Ga2O3是金属镓的氧化物，也是一种半导体化合物，目前已发现的结晶形态有α、β、γ、δ、ε五种。其中，β结构最为稳定，与Ga2O3的结晶生长及物性相关的研究工作大多围绕β结构展开。研究人员用Ga2O3试制了金属半导体场效应晶体管，尽管属于未形成保护膜钝化膜的简单结构，但是样品已经显示出耐压高、泄漏电流小的特性。在使用SiC和GaN制造相同结构的元件时，通常难以达到这些样品的指标。除了材料性能优异如带隙比SiC和GaN大，利用Ga2O3进行电力半导体研发的主要原因是其生产成本较低。

采用β-Ga2O3制作底板时，可使用FZ法及EFG法等溶液生长法，这也是其特点之一。溶液生长法容易制备结晶缺陷少、尺寸大的单结晶，可以低成本轻松实现量产。首先利用FZ法或EFG法制备单结晶，然后将结晶切成薄片，以薄片为基础制造底板。用于制造蓝色LED芯片的蓝宝石底板就是利用EFG法制造的。蓝宝石底板不仅具备价格便宜、结晶缺陷少的优点，而且尺寸较大，可为6~8英寸。而SiC底板的基础即单结晶需利用升华法制造，GaN底板的基础“单结晶”需利用HVPE法等气相法制造，在减少结晶缺陷和大尺寸化方面应用难度较大。NICT研究小组已利用FZ法制成晶体管所需的β-Ga2O3底板，只要导入与蓝宝石底板相同的大型制造设备，有望利用EFG法生产6英寸直径的底版。