日本情報通信研究機構突破：β型氧化鎵晶體高精度n型摻雜技術取得重大進展
日本情報通信研究機構（NICT）於2025年5月20日宣布，成功利用獨特的有機金屬氣相沉積法（MOVPE）實現了β型氧化鎵（β-Ga₂O₃）晶體的高精度n型摻雜。這項突破性的技術進展，為下一代功率半導體器件的發展鋪平了道路，有望大幅提升電力轉換效率，並在節能減排方面做出重大貢獻。
β型氧化鎵：功率半導體的新星
隨著全球能源需求的持續增長，高效節能的功率半導體器件變得日益重要。傳統的矽（Si）基功率半導體在性能上已經接近極限，而碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬禁帶半導體正逐漸被應用於更高功率的應用領域。然而，β型氧化鎵（β-Ga₂O₃）作為一種超寬禁帶半導體材料，擁有以下顯著優勢，使其成為功率半導體的理想選擇：
- 超寬禁帶寬度： β-Ga₂O₃的禁帶寬度高達4.8 eV，遠高於Si、SiC和GaN。這意味著它具有更高的擊穿電壓和更低的導通電阻，可以實現更高的功率處理能力和更高的效率。
- 易於大尺寸基板的生產： β-Ga₂O₃可以通過熔融法製造出大尺寸的單晶基板，這有助於降低器件生產成本，提高良率，使其具備大規模商業化的潛力。
- 良好的化學穩定性： β-Ga₂O₃具有良好的化學穩定性，使其在嚴苛的環境下也能穩定工作。
n型摻雜：功率半導體器件的關鍵技術
為了製造出具有實際應用價值的功率半導體器件，對β-Ga₂O₃進行n型摻雜至關重要。所謂n型摻雜，就是將特定的雜質元素（如矽、錫等）引入到晶體結構中，使其產生額外的自由電子，从而提高晶體的導電能力。然而，對β-Ga₂O₃進行高精度n型摻雜一直是一個挑戰，主要原因如下：
- 摻雜元素的控制難度： 如何精確控制摻雜元素的濃度和分佈，避免過度摻雜或摻雜不均勻，是一個重要的技術難題。
- 摻雜元素的激活效率： 並非所有的摻雜元素都能夠有效地釋放自由電子，提高激活效率至關重要。
NICT的突破：有機金屬氣相沉積法（MOVPE）的精準應用
針對上述挑戰，NICT的研究團隊開發了一種獨特的有機金屬氣相沉積法（MOVPE），成功實現了β型氧化鎵晶體的高精度n型摻雜。MOVPE是一種常用的薄膜生長技術，通過將含有金屬元素的有機化合物（如三甲基鎵、四乙基矽等）導入反應室，在高溫下分解並沉積在基板上，形成所需的晶體薄膜。
NICT的創新之處在于：
- 優化了MOVPE工藝參數： 通過精確控制反應溫度、氣體流量、壓力等參數，實現了摻雜元素的均勻分佈和高激活效率。
- 設計了新的有機金屬源： 開發了更穩定、更易控制的有機金屬源，確保摻雜元素的精準導入。
- 採用了原位監測技術： 在薄膜生長過程中，利用原位監測技術實時監控薄膜的厚度、成分和結構，以便及時調整工藝參數，確保生長出高質量的摻雜晶體。
技術突破的意義與應用前景
NICT的這項技術突破，為β型氧化鎵功率半導體器件的發展帶來了巨大的潛力。
- 提高功率轉換效率： 高精度n型摻雜能夠降低器件的導通電阻，從而提高功率轉換效率，減少能量損耗。
- 縮小器件尺寸： β-Ga₂O₃的高擊穿電壓允許使用更薄的器件結構，從而縮小器件尺寸，提高集成度。
- 降低成本： β-Ga₂O₃大尺寸基板的製造能力，有助於降低器件生產成本。
基于以上優勢，β型氧化鎵功率半導體器件有望廣泛應用於以下領域：
- 電動汽車： 提升電動汽車的續航里程和充電效率。
- 電力電網： 提高電力傳輸效率，減少能源浪費。
- 太陽能發電： 提高太陽能逆變器的效率，提升發電系統的整體性能。
- 工業控制： 提高工業控制設備的效率和可靠性。
總結
NICT在β型氧化鎵晶體高精度n型摻雜技術方面的突破，是功率半導體領域的一項重大進展。這項技術不僅提高了器件的性能，也為下一代節能減排技術的發展奠定了基礎。 隨著相關技術的進一步成熟，β型氧化鎵有望在未來功率半導體市場中扮演更重要的角色，為構建更加高效、可持續的能源系統做出貢獻。
β型酸化ガリウム結晶の高精度n型ドーピング技術を独自の有機金属気相成長法で実現
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