美国空军研究实验室工程师使氧化镓器件性能达到新高度

如果必须从头开始用一种新的材料来研发器件将非常困难。可能要先努力学习如何生长出足够大的晶体,以便将其切成基础衬底。还可能需要进行大量的研究以找出如何沉积外延层、制造器件、测试及完善工艺。所有这些都需要资金和一个具有适当专业知识的研究团队来定义一个应用空间。鉴于所有这些挑战,用新材料制造器件的进展远不能立竿见影,一些团体只有在能够借鉴其他团体的成功经验时才会进入该领域,这并不奇怪。

奠定基础

氧化镓的情况当然也是如此。多年来,其优点已人尽所知–是一种带隙非常宽的材料,应该可以制造出非常适合功率开关的器件–但只是在最近十年,一些小组才开始出现令人印象深刻的器件成果。

日本和德国的材料科学家为最近的所有进展奠定了基础,他们开发了从熔体中生长氧化镓晶体并在此基础上沉积外延层的工艺。氧化镓的第一个应用是作为GaN LED应用的透明导电氧化物基板。随后日本的研究人员也取得了另一项重要突破。2012年,日本NICT的一个团队发表的实验结果显示,用该材料β相制成的氧化镓器件具有较高击穿电压。

美国空军进展概述

空军研究实验室(AFRL)的一个团队注意到了NICT的成功,并通过与一些材料供应商合作继续打破记录。他们将氧化镓视为快速、低损耗功率开关的一个非常有前途的候选者,他们通过以下方式吸引了众多关注:为氧化镓FET的临界场强设定了一个新基准;制造了第一个增强型氧化镓MOSFET,它能在关断态下提供高电压操作;制造了第一个射频增益和功率开关损耗低于硅的氧化镓FET。

空军早期研究

在早期,AFRL研究员Gregg Jessen领导的团队从头开始(ab-initio用第一原理建模来探索新材料。结果显示,速度和高临界场强在快速功率开关和射频功率应用中具有颠覆性的潜力。在这些结果的刺激下,Jessen建立了美国的氧化镓研究基础,并建立国际合作伙伴关系,获得了首批器件样品。

在Jessen工业任职后,Kelson Chabak接任了AFRL GaO器件研究的团队负责人。Kelson Chabak说:“Gregg不仅激励了我们的团队,而且激励了整个国家。”

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AFRL制造的2英寸带有GaN外延层的Synoptics氧化镓晶体管

首个器件样品

Chabak从除了NICT的MOSFET器件结果外的以下方面获得灵感:可以从熔体中生产衬底;材料的β相有机会实现同种外延生长,从而获得低缺陷密度的外延薄膜;器件制造简单易行。当该团队在2015年制造出第一个器件样品时,Chabak想知道他和他的同事是否可以复制NICT的成功,并测量据称的高临界场强。

尽管他很好奇,但Chabak并不打算改变方向,即从研究GaN转向氧化镓。“当时我们对(氧化镓)并没有太大投入,事实上,如果我们对器件的早期评估失败,我们就准备放弃它。”

获取外围材料支持

为了评估这种超宽带隙材料的潜力,Chabak和他的同事依靠其国际合作伙伴实现外延结构。尽管他们可以使用AFRL的MBE工具,但该工具主要是为GaN的基础研究而配置(Chabak和同事们在GaN领域拥有大量专业知识)。

最初选择采用氧化镓外延结构有其实际上好处,避免了采购昂贵的设备,并迅速获得新材料的外延专业知识。团队还能够形成宝贵的国际材料合作关系,迅速推进氧化镓器件的研究。

衬底来自唯一的商业供应商Tamura。这家公司与NICT密切合作,采用边缘优化的薄膜生长工艺,生产的材料在某些方向上直径可达4英寸。最常见的一种衬底尺寸最初是10毫米×15毫米。在去年Tamura也开始提供25毫米×25毫米的产品。根据Chabak的说法,尺寸越大质量越好,同时单位面积的价格可下降50%左右。

AFRL的团队购买了这些衬底,并联系了Tamura的分拆公司Novel Crystal购买外延片。此外,AFRL还依靠另一个外延生长的来源,即德国莱布尼茨晶体生长研究所(IKZ)。

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AFRL的研究为氧化镓器件的进步提供了多项重大贡献

2015年,IKZ向AFRL团队提供了第一批样品。取得成功的同时也帮助IKZ成为AFRL的重要研究合作伙伴。这是一种合作共赢的关系,双方积极开展合作研究。通过及时提供高质量的材料,IKZ在AFRL的成功中发挥了关键作用。Chabak表示:“我们之所以能够成为该领域的领导者,是因为我们能够尽早获得材料。”

燎原之火

这一合作的第一个里程碑是在2016年,当时AFRL器件团队成员Andy Green制造并报告了一个由IKZ外延片制成的MOSFET。它在0.6μm的栅-漏漂区域内承载电压达到230V,意味着平均临界场强达到了3.8MV/cm,创造了新记录。大多数横向GaN器件的工作电压为1 MV/cm。Chabak表示:“因此,在没有太多优化的情况下,我们得到了大约四倍于GaN的临界场强,这就是燎原之火。”

Green的破纪录结果来自IKZ的MOCVD制造的外延片,该外延片在一个off-cut基底上生长,以优化adatoms的扩散长度。不过,要注意的是,Chabak和他的同事们在由Novel Crystal提供的MBE生长材料上也获得了不错的结果,所以他们还没有决定哪种生长技术更适合氧化镓同位素。“还没有定论,我们已经在这两种材料上做出了很好的器件,我们还在评估材料。”

躲避p型问题

2016年晚些时候,AFRL团队报告了有史以来第一个在关断状态高电压增强模式FET。这一突破性成果非常重要,因为它表明,尽管氧化镓中缺乏p型载流子,但仍有可能制造出常闭型FET。常态关断操作是非常有价值的,因为实现了一个自动防故障的器件,并且可以用单极性电源驱动。

这一成功的关键是利用栅极的工作函数来夹断(pinch-off)非平面鳍形通道的阵列。Chabak说:“我们是第一个用氧化镓实现这一点的团队,也用GaN也做过非常类似的事情。”

请注意,对于Chabak和他的同事来说,试图正面解决与氧化镓中p型掺杂有关的问题是愚蠢的。空穴是自陷的,所以它们不能对载流子传输做出贡献,而价带的平坦性导致了非常严重的空穴质量。

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位于AFRL的VeecoGenXcel氧化MBE工具,用于基础氧化物材料和器件研究,其衬底尺寸最大为4英寸

虽然p-掺杂是非常具有挑战性的,但在氧化镓的非结合电子上产生丰度相对容易。有三种常见的掺杂剂:硅、锡和锗。Chabak说:“这三种掺杂剂都可以工作,我们已经用它们制造了器件,”硅的优点包括最熟悉–被广泛用于掺杂GaN和GaAs–以及容易在生长室中成功引入。为了实现高浓度,可以进行三角掺杂和接触再生长,从而产生良好的结果。

植入是生产n型材料的另一种选择。Chabak认为这是一种提供器件工程和横向掺杂曲线的工具,并允许制造具有自对准触点的晶体管–这些特性在GaN中很难实现。

与宽带隙材料相比,在氧化镓中激活载流子所需的温度相当低–在某些情况下,只要850℃就足够了。对这种掺杂技术的研究已经产生了一些有趣的结果,比如发现杂质会沿着植入的受损区域扩散。

比硅好的FET

Chabak的团队宣称他们在2018年取得了第三个破纪录的成果,他们报告了第一个开关损耗低于硅的氧化镓FET。Chabak透露:“有一些不同的设计技巧得到了实现”。修改包括部分移除通道以使其正常关闭,增加一个栅极连接的场板以降低峰值电场,并优化器件尺寸。通过缩短源到漏电距离来降低电阻,在不牺牲击穿电压的情况下实现了这一壮举。

GaO的射频特性

AFRL的工作还包括调查氧化镓晶体管的射频特性。Chabak警告说:“非常谨慎地说,在射频器件方面,我们不认为氧化镓会取代氮化镓,氮化镓器件将永远是射频功率之王。”然而,他认为,氧化镓可能会成为一种互补技术,因为用这种材料制成的晶体管在配置在特定的工作类别中时,可能有潜力提供高效率,或提供更高的输出功率。

该团队研究了具有0.7μm栅长和栅极-回流的器件的射频特性,该器件将沟道厚度从180nm减少到该值的一半左右。使用40V的漏极-源极电压进行的小信号测量显示,截止频率和最大振荡频率分别为3GHz和13GHz。根据800MHz的CW大信号功率测量,在A类模式下驱动,输出功率为0.23Wmm-1,功率附加效率为6.3%。

热限制并不严重

严重的热限制了这些射频器件的性能。大多数由氧化镓制成的功率器件也是如此,因为这两类器件都会因这种材料的低热导率而受损。一些批评者称,这严重阻碍了这一类器件的进步,但Chabak不同意,他认为这并不是一个“障碍”。在与反对者讨论这个问题时,他很快指出,作为主流射频功率技术的GaAs的热导率与氧化镓的热导率在一个数量级之内。

为了确保氧化镓器件发挥其潜力,必须努力从器件的背面和顶部提取热量,因为在这里可以获得最大的收益。“我们有一些初步的模型表明,倒装芯片技术与背面晶圆减薄相结合,可以将我们器件的整体热阻降低到接近SiC的水平。”

Chabak承认,实现这样的成功并不容易。“我不指望它能在短期内得到解决”。事实上,如果要取得重大进展,很可能需要重大计划的资助。不过,探索这方面的方法可以借鉴以往在化合物半导体行业的成功经验。“幸运的是,我们已经有很多热管理方案,是针对氮化镓和砷化镓开发的。所以我们希望能利用这些优势。”

引入电子束光刻技术

Chabak和他的同事们还不打算解决这个问题。相反,他们将在短期内致力于将电子束光刻技术引入到制造工艺中,并将晶体管的尺寸缩小到微米以下。由此产生的器件将结合非常高的速度和高击穿电压,可能成为快速开关应用的非常有吸引力的候选器件。

寻求内部材料来源

该团队主要与他们的氧化镓材料合作伙伴合作生产外延片。但这种情况应该很快就会改变,因为去年该小组投资了一个最先进的氧化物MBE工具,它可以处理4英寸的基板,并生产具有硅或锗掺杂的氧化镓外延片。该反应器还将用于生产异质结构,如含有氧化铝镓的异质结构。

该工具的引入扩大了AFRL的研究人员数量,吸引他们至少将部分时间用于氧化镓。几年前,该项研究只包含一个较小的设备工程师小组,均来自传感器组。但随着MBE机器的部署和感兴趣的指数级提升,他们现在有来自AFRL整个材料,器件和动力组的参与者。Chabak说:“当我们为氧化镓举行会议时,我们现在可以轻松地填满一个大房间。”

一旦外延片的生产在内部完成,该团队只需要采购衬底。近期,它们将继续来自Tamura,但在更远的未来,它们可以从国内来源获得。这是因为AFRL一直在资助诺格公司的子公司Synoptics的氧化镓晶体生长计划。Chabak说:“他们走在了前面,因为他们长期以来一直在制造激光器用晶体。”利用Czochralski技术,Synoptics已经能够生长、制造和抛光直径达2英寸的半绝缘(010)基板。在过去的几个月里,AFRL的团队已经开始使用这些衬底制造器件。Chabak说:“它们可以和Tamura相比吗?有些是–我们正在实现,”

除了这笔资金外,AFRL最近还与Saint Gobain启动了一项计划,用于半绝缘、(010)2英寸氧化镓基板的边缘馈电薄膜生长。为大面积氧化镓衬底建立国内来源将是Chabak和他的设备团队补足的一环。这应该会导致研究和开发的加强,给来自AFRL的团队一个很好的机会,为他们在氧化镓器件方面的破纪录成果添砖加瓦。

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