与此同时,日本三菱化学公司计划于2012年电感生产厂家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插件电感。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。
此外,NICT研究小组还试制出功率电感元件电阻降低的β-Ga2O3底板LED芯片。该芯片的工作电压低,能够减少大电流驱动时的发热量。该芯片的热阻很低,样品的热阻不到0.1℃/W,仅为同尺寸横向结构现有产品的1/10~1/100。同时,该芯片的电流分布非常均匀。为了调查芯片电流分布情况贴片电感公司,小组研究了1mm2的LED芯片内部的面内温度分布。结果显示,即使元件温度平均上升70℃,芯片内部温差最大只有7℃。由此可见,使用β-Ga2O3底板的LED芯片非常适合大电流用途。NICT研究小组希望在2012年内推出产品,将这种底板用于LED产品,朝着产业化方向进发。
β-Ga2O3不仅可用于电力半导体,而且还可用于LED芯片、各种传感器元件及摄像元件等,应用范围很广。