功率半導體GaO開始挑戰(zhàn)GaN和SiC

半導體世界可能會有一個新的參與者，它以氧化鎵技術的形式出現(xiàn)。根據(jù)布法羅大學（UB）工程與應用科學學院電氣工程副教授Uttam Singisetti博士的說法，這種材料可以在改善電動汽車、太陽能和其他形式的可再生能源方面發(fā)揮關鍵作用，他說，“我們需要具有更強大和更高效的功率處理能力的電子元件。氧化鎵開辟了我們用現(xiàn)有半導體無法實現(xiàn)的新可能性?！?/span>

電子工業(yè)正在盡可能地將硅最大化應用，但其畢竟還是有局限的，這就是為什么研究人員正在探索其它材料，如碳化硅，氮化鎵和氧化鎵。雖然氧化鎵的導熱性能較差，但其帶隙（約4.8電子伏特或eV）超過碳化硅（約3.4eV），氮化鎵（約3.3eV）和硅（1.1eV）的帶隙。

帶隙可衡量使電子進入導通狀態(tài)所需的能量。采用高帶隙材料制成的系統(tǒng)可以比由帶隙較低的材料組成的系統(tǒng)更薄、更輕，并且處理更多的功率。此外，高帶隙允許在更高的溫度下操作這些系統(tǒng)，從而減少對龐大的冷卻系統(tǒng)的需求。

5μm的Ga 2 0 3 MOSFET
Singisetti教授和他的學生（Ke Zang和Abhishek Vaidya）制造了一個由5微米的、由氧化鎵制成的金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），而一張紙的厚度約為100微米。

研究人員表示，該晶體管的擊穿電壓為1,850 V，比氧化鎵半導體的記錄增加了一倍多。擊穿電壓是將材料（在這種情況下為氧化鎵）從絕緣體轉換為導體所需的電量。擊穿電壓越高，器件可以處理的功率越高。

Singisetti表示，由于晶體管的尺寸相對較大，因此不適合智能手機和其他小型設備。但它可能有助于調(diào)節(jié)大規(guī)模運營中的能量流，例如收獲太陽能和風能的發(fā)電廠，以及電動汽車、火車和飛機等。

“我們通過增加更多的硅來提高晶體管的功率處理能力。不幸的是，這會增加更多的重量，從而降低這些設備的效率，“Singisetti說。“氧化鎵可以讓我們在使用更少的材料時達到并最終超過硅基器件。這可催生出更輕、更省油的電動汽車?！?/span>

然而，要實現(xiàn)這一目標，必須解決一些挑戰(zhàn)，他說。特別是，必須設計基于氧化鎵的系統(tǒng)以克服材料的低導熱性。

該研究得到了美國國家科學基金會，紐約州立大學材料與先進制造卓越網(wǎng)絡以及布法羅大學環(huán)境與水資源研究與教育研究所（RENEW）的支持。

更多的氧化鎵研究

其他研究人員也正在研究氧化鎵。在AIP出版社發(fā)表在應用物理快報上的一篇文章中，作者Higashiwaki和Jessen概述了使用氧化鎵生產(chǎn)微電子的案例。作者專注于場效應晶體管（FET），這些器件可以從氧化鎵的大臨界電場強度中獲益。Jessen所說的質量可以實現(xiàn)具有更小幾何結構的FET的設計以及可以破壞任何其他FET材料的侵蝕性摻雜分布。 

“微電子世界最大的缺點之一就是充分利用電源：設計人員總是希望減少過多的電力消耗和不必要的熱量產(chǎn)生，”空軍研究實驗室的首席電子工程師Gregg Jessen說?！巴ǔ＃梢酝ㄟ^縮小設備來實現(xiàn)此目的。但是，目前使用的技術已經(jīng)接近其許多應用所需的工作電壓極限。它們受到了臨界電場強度的限制?！?/span>

該材料在各種應用中的靈活性源于其廣泛的可能導電性 - 由于其電場強度，從高導電性到非常絕緣性和高擊穿電壓能力。因此，氧化鎵可以達到極端程度。大面積的氧化鎵晶圓也可以從熔體中生長，從而降低了制造成本。 

“下一個氧化鎵應用將是電源的單極FET，”Jessen說?！芭R界場強是這里的關鍵指標，它具有卓越的能量密度能力。氧化鎵的臨界場強是硅的20倍以上，是碳化硅和氮化鎵的兩倍多。”

作者討論了Ga 2 O 3晶片的制造方法，控制電子密度的能力以及空穴傳輸?shù)奶魬?zhàn)。他們的研究表明，單極Ga 2 O 3器件將占主導地位。他們的論文還詳細介紹了不同類型FET中的Ga 2 O 3應用，以及該材料如何在高壓、高功率和功率開關應用中使用。 

“從研究的角度來看，氧化鎵真的令人興奮，”Jessen說。“我們剛剛開始了解這些設備在多種應用中的全部潛力，現(xiàn)在是參與該領域的好時機?！?nbsp;

               第一個氧化鎵MOSFET

FLOSFIA在日本首次成功地證明了使用氧化鋅實現(xiàn)常關MOSFET 的可能性 。這是一項具有開創(chuàng)性的工作，因為生產(chǎn)常關MOSFET一直被認為極具挑戰(zhàn)性。FLOSFIA計劃制造剛玉（corundum，一種晶體結構）α-Ga 2 O 3功率器件，GaO 系列，從TO-220中的肖特基勢壘二極管（SBD）開始，然后是MOSFET。

圖1：常關Ga 2 O 3 MOSFET的I-V曲線

常關MOSFET 的第一個α-Ga 2 O 3 （見圖1 ）由N +源/漏極層，p型阱層，柵極絕緣體和電極組成（見圖2 和圖 3 ）。從I-V曲線外推的柵極閾值電壓為7.9V。該器件由新型p型剛玉半導體制成，其起到反型層的作用。沒有理論研究預測p型材料與n型Ga 2 O 3相容，直到該團隊在2016年發(fā)現(xiàn)p型Ir 2 O3，它被認為是非常難以實現(xiàn)的常關MOSFET。

圖2：器件的橫截面示意圖

圖3：常關Ga 2 O 3 MOSFET的光學顯微照片

FLOSFIA總部位于日本京都，是京都大學研究的副產(chǎn)品，專門從事霧化學氣相沉積（CVD）成膜。利用氧化鎵（Ga 2 O 3）的物理特性，F(xiàn)LOSFIA致力于開發(fā)低損耗功率器件。該公司成功開發(fā)了一種SBD，其具有目前可用的任何類型的最低特定導通電阻，實現(xiàn)與降低功率相關的技術，比以前減少了90％。FLOSFIA現(xiàn)在將開發(fā)自己的生產(chǎn)線，著眼于2018年開始商業(yè)化生產(chǎn)，其生產(chǎn)各種薄膜、增強MISTDRY技術，實現(xiàn)功率器件的商業(yè)化，并實現(xiàn)其技術應用于電極材料、具有功能特性的氧化物電子器件，電鍍和聚合物。

綜上，氧化鎵是一種新興的功率半導體材料，其帶隙大于硅，氮化鎵和碳化硅，但在成為電力電子產(chǎn)品的主要參與者之前，仍需要開展更多的研發(fā)和推進工作。