與此同時,日本三菱化學公司計劃于2012年電感生產廠家10月開始大批量生產用于LED的GaN底板。由于具有較高的電能轉換率,采用GaN底板的LED燈具的耗電量可比現有產品降低50%~70%。與現有采用藍寶石底板的同類產品相比,GaN底板雖然具有電力損耗較低等優點,但是存在制造成本偏高的問題。目前三菱化學公司已開發出新的生產工藝流程,計劃于2015年將GaN底板的制造成本降低為目前的1/10。
未來的氧化鎵器件
近期,日本信息通信研究機構NICT發布了Ga2O3晶體管研制成功的消息。與SiC和GaN相比,Ga2O3在低成本、高耐壓且低損耗方面顯示出較大的潛力,備受業界關注。Ga2O3是金屬鎵的氧化物,也是一種半導體化合物,目前已發現的結晶形態有α、β、γ、δ、ε五種。其中,β結構最為穩定,與Ga2O3的結晶生長及物性相關的研究工作大多圍繞β結構展開。研究人員用Ga2O3試制了金屬半導體場效應晶體管,盡管屬于未形成保護膜鈍化膜的簡單結構,但是樣品已經顯示出耐壓高、泄漏電流小的特性。在使用SiC和GaN制造相同結構的元件時,通常難以達到這些樣品的指標。除了材料性能優異如帶隙比SiC和GaN大,利用Ga2O3進行電力半導體研發的主要原因是其生產成本較低。
采用β-Ga2O3制作底板時,可使用FZ法及EFG法等溶液生長法,這也是其特點之一。溶液生長法容易制備結晶缺陷少、尺寸大的單結晶,可以低成本輕松實現量產。首先利用FZ法或EFG法制備單結晶,然后將結晶切成薄片,以薄片為基礎制造底板插件電感。用于制造藍色LED芯片的藍寶石底板就是利用EFG法制造的。藍寶石底板不僅具備價格便宜、結晶缺陷少的優點,而且尺寸較大,可為6~8英寸。而SiC底板的基礎即單結晶需利用升華法制造,GaN底板的基礎“單結晶”需利用HVPE法等氣相法制造,在減少結晶缺陷和大尺寸化方面應用難度較大。NICT研究小組已利用FZ法制成晶體管所需的β-Ga2O3底板,只要導入與藍寶石底板相同的大型制造設備,有望利用EFG法生產6英寸直徑的底版。
此外,NICT研究小組還試制出功率電感元件電阻降低的β-Ga2O3底板LED芯片。該芯片的工作電壓低,能夠減少大電流驅動時的發熱量。該芯片的熱阻很低,樣品的熱阻不到0.1℃/W,僅為同尺寸橫向結構現有產品的1/10~1/100。同時,該芯片的電流分布非常均勻。為了調查芯片電流分布情況貼片電感公司,小組研究了1mm2的LED芯片內部的面內溫度分布。結果顯示,即使元件溫度平均上升70℃,芯片內部溫差最大只有7℃。由此可見,使用β-Ga2O3底板的LED芯片非常適合大電流用途。NICT研究小組希望在2012年內推出產品,將這種底板用于LED產品,朝著產業化方向進發。
β-Ga2O3不僅可用于電力半導體,而且還可用于LED芯片、各種傳感器元件及攝像元件等,應用范圍很廣。