氧化鎵

近日，佛羅里達(dá)大學(xué)、美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）與韓國(guó)大學(xué)對(duì)氧化鎵（Ga2O3）在電子器件應(yīng)用的現(xiàn)狀和潛在發(fā)展完成一篇全面的綜述。[S. J. Pearton et al, J. Appl. Phys., vol124, p220901, 2018]

盡管Ga2O3半導(dǎo)體材料具有良好的射頻性能以及高功率等許多優(yōu)勢(shì)（如圖1所示），但同時(shí)還具有很多需要克服的障礙。作者認(rèn)為，Ga2O3電子器件很可能對(duì)現(xiàn)有的硅（Si），碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）技術(shù)進(jìn)行技術(shù)互補(bǔ)，比如Ga2O3在低頻，高壓領(lǐng)域（如AC-DC轉(zhuǎn)換）會(huì)有良好的應(yīng)用。

圖1：顯示了對(duì)功率半導(dǎo)體器件重要的關(guān)鍵材料（Si, SiC, GaN, Ga2O3）特性。

氧化鎵是寬帶隙半導(dǎo)體（~4.8eV，相比之下GaN的~3.4eV，SiC的3.3eV，Si的1.1eV），可以以可控的方式進(jìn)行n型（電子）摻雜。寬帶隙與高臨界場(chǎng)相關(guān)聯(lián)，使得其能夠在擊穿發(fā)生之前擁有更高的電壓和功率密度。而對(duì)于Ga2O3來(lái)說(shuō)，目前其擊穿電壓可高達(dá)3kV。

Ga2O3另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于它可以以較低的成本便可獲得。這是由于我們可利用熔融氧化鎵生長(zhǎng)來(lái)生產(chǎn)出穩(wěn)定的β多型體的晶體材料。它是硅熔體的晶體生長(zhǎng)，可為主流電子產(chǎn)品提供高質(zhì)量的基板。

圖2：在電流和電壓需求方面Si，SiC，GaN和Ga2O3功率電子器件的應(yīng)用

該團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)“功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括航空電子設(shè)備和電動(dòng)船的脈沖功率，重型電動(dòng)機(jī)的固態(tài)驅(qū)動(dòng)器，以及先進(jìn)的電源管理和控制電子設(shè)備”作為潛在應(yīng)用（如圖2所示）。

氧化鎵應(yīng)用范圍從實(shí)現(xiàn)可用到可靠的組件，最后再到可插入可持續(xù)市場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施等各個(gè)方面。但Ga2O3還是存在一個(gè)重要的直接缺點(diǎn)：它的導(dǎo)熱率很低（10-30 W/m-K，對(duì)比SiC 330 W/m-K，GaN 130 W/m-K和Si 130 W/m-K），這在高功率密度應(yīng)用中尤為凸顯。其中熱管理的方式包括將器件層轉(zhuǎn)移到另一層熱傳導(dǎo)更多的基板上；將基板減??；添加散熱器；頂部熱提取或使用風(fēng)扇或液體流動(dòng)的主動(dòng)冷卻等。

Ga2O3存在的另一個(gè)缺點(diǎn)就是缺乏p型摻雜機(jī)制。從理論上看，這可能會(huì)是一個(gè)影響其應(yīng)用的根本問(wèn)題。有文章曾指出：“由Ga2O3能帶結(jié)構(gòu)的第一性原理計(jì)算可以預(yù)期，由于它的低遷移率而在Ga2O3中發(fā)生空穴自陷，這會(huì)降低有效的p型導(dǎo)電性。理論表明，所有的受體摻雜劑都會(huì)產(chǎn)生深的受主能級(jí)，而不能產(chǎn)生p型導(dǎo)電性。”目前僅在高溫下才有任何p型電導(dǎo)率的報(bào)道，這可能與天然的Ga空位缺陷有關(guān)。

文章作者提出，建議將n-Ga2O3與其他具有p型導(dǎo)電性的半導(dǎo)體材料結(jié)合起來(lái)是可能的。 在這一方面，碘化銅，氧化銅和氧化鎳是很好的選擇。

該團(tuán)隊(duì)表示，目前離散功率器件的市場(chǎng)容量約為15-22億。與從SiC概念到SiC器件商業(yè)化的超過(guò)35年的發(fā)展類比，他們提出屬于Ga2O3市場(chǎng)的發(fā)展需要多長(zhǎng)發(fā)展時(shí)間？

有文章評(píng)論道：“技術(shù)的發(fā)展，關(guān)鍵是要軍事電子開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)的持續(xù)關(guān)注。電力電子設(shè)備領(lǐng)域的歷史表明，新技術(shù)大約每10-12年出現(xiàn)一次革新。然而，由于各種原因，舊技術(shù)仍會(huì)長(zhǎng)期存在于市場(chǎng)中。Ga2O3可以補(bǔ)充SiC和GaN的電力電子器件市場(chǎng)，但卻不會(huì)取代它們?！?/p>

該綜述最后認(rèn)為需要逐步提升Ga2O3在七個(gè)方面的發(fā)展：外延生長(zhǎng)；歐姆接觸；熱穩(wěn)定肖特基接觸；增強(qiáng)模式（即常關(guān)）晶體管操作；動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻降低；工藝集成和以及過(guò)被動(dòng)和主動(dòng)冷卻進(jìn)行熱管理。