功率半导体之战 Ga2O3挑战GaN和SiC

半导体世界可能会有一个新的参与者，它以氧化镓技术的形式出现。根据布法罗大学（UB）工程与应用科学学院电气工程副教授Uttam Singisetti博士的说法，这种材料可以在改善电动汽车、太阳能和其他形式的可再生能源方面发挥关键作用，他说，“我们需要具有更强大和更高效的功率处理能力的电子元件。氧化镓开辟了我们用现有半导体无法实现的新可能性。”

电子工业正在尽可能地将硅最大化应用，但其毕竟还是有局限的，这就是为什么研究人员正在探索其它材料，如碳化硅，氮化镓和氧化镓。虽然氧化镓的导热性能较差，但其带隙（约4.8电子伏特或eV）超过碳化硅（约3.4eV），氮化镓（约3.3eV）和硅（1.1eV）的带隙。

带隙可衡量使电子进入导通状态所需的能量。采用高带隙材料制成的系统可以比由带隙较低的材料组成的系统更薄、更轻，并且处理更多的功率。此外，高带隙允许在更高的温度下操作这些系统，从而减少对庞大的冷却系统的需求。

5μm的Ga2O3 MOSFET

Singisetti教授和他的学生（Ke Zang和Abhishek Vaidya）制造了一个由5微米的、由氧化镓制成的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），而一张纸的厚度约为100微米。

研究人员表示，该晶体管的击穿电压为1,850 V，比氧化镓半导体的记录增加了一倍多。击穿电压是将材料（在这种情况下为氧化镓）从绝缘体转换为导体所需的电量。击穿电压越高，器件可以处理的功率越高。

Singisetti表示，由于晶体管的尺寸相对较大，因此不适合智能手机和其他小型设备。但它可能有助于调节大规模运营中的能量流，例如收获太阳能和风能的发电厂，以及电动汽车、火车和飞机等。

“我们通过增加更多的硅来提高晶体管的功率处理能力。不幸的是，这会增加更多的重量，从而降低这些设备的效率，“Singisetti说。“氧化镓可以让我们在使用更少的材料时达到并最终超过硅基器件。这可催生出更轻、更省油的电动汽车。”

然而，要实现这一目标，必须解决一些挑战，他说。特别是，必须设计基于氧化镓的系统以克服材料的低导热性。

该研究得到了美国国家科学基金会，纽约州立大学材料与先进制造卓越网络以及布法罗大学环境与水资源研究与教育研究所（RENEW）的支持。

更多的氧化镓研究

其他研究人员也正在研究氧化镓。在AIP出版社发表在应用物理快报上的一篇文章中，作者Higashiwaki和Jessen概述了使用氧化镓生产微电子的案例。作者专注于场效应晶体管（FET），这些器件可以从氧化镓的大临界电场强度中获益。Jessen所说的质量可以实现具有更小几何结构的FET的设计以及可以破坏任何其他FET材料的侵蚀性掺杂分布。

“微电子世界最大的缺点之一就是充分利用电源：设计人员总是希望减少过多的电力消耗和不必要的热量产生，”空军研究实验室的首席电子工程师Gregg Jessen说。“通常，您可以通过缩小设备来实现此目的。但是，目前使用的技术已经接近其许多应用所需的工作电压极限。它们受到了临界电场强度的限制。”

该材料在各种应用中的灵活性源于其广泛的可能导电性 - 由于其电场强度，从高导电性到非常绝缘性和高击穿电压能力。因此，氧化镓可以达到极端程度。大面积的氧化镓晶圆也可以从熔体中生长，从而降低了制造成本。

“下一个氧化镓应用将是电源的单极FET，”Jessen说。“临界场强是这里的关键指标，它具有卓越的能量密度能力。氧化镓的临界场强是硅的20倍以上，是碳化硅和氮化镓的两倍多。”

作者讨论了Ga2O3晶片的制造方法，控制电子密度的能力以及空穴传输的挑战。他们的研究表明，单极Ga2O3器件将占主导地位。他们的论文还详细介绍了不同类型FET中的Ga2O3应用，以及该材料如何在高压、高功率和功率开关应用中使用。

“从研究的角度来看，氧化镓真的令人兴奋，”Jessen说。“我们刚刚开始了解这些设备在多种应用中的全部潜力，现在是参与该领域的好时机。”

第一个氧化镓MOSFET

FLOSFIA在日本首次成功地证明了使用氧化锌实现常关MOSFET 的可能性 。这是一项具有开创性的工作，因为生产常关MOSFET一直被认为极具挑战性。FLOSFIA计划制造刚玉（corundum，一种晶体结构）α-Ga2O3功率器件，GaO 系列，从TO-220中的肖特基势垒二极管（SBD）开始，然后是MOSFET。

图1：常关Ga2O3MOSFET的I-V曲线

常关MOSFET 的第一个α-Ga2O3（见图1 ）由N+源/漏极层，p型阱层，栅极绝缘体和电极组成（见图2 和图3 ）。从I-V曲线外推的栅极阈值电压为7.9V。该器件由新型p型刚玉半导体制成，其起到反型层的作用。没有理论研究预测p型材料与n型Ga2O3相容，直到该团队在2016年发现p型Ir2O3，它被认为是非常难以实现的常关MOSFET。

图2：器件的横截面示意图

3：常关Ga2O3MOSFET的光学显微照片

FLOSFIA总部位于日本京都，是京都大学研究的副产品，专门从事雾化学气相沉积（CVD）成膜。利用氧化镓（Ga2O3）的物理特性，FLOSFIA致力于开发低损耗功率器件。该公司成功开发了一种SBD，其具有目前可用的任何类型的最低特定导通电阻，实现与降低功率相关的技术，比以前减少了90％。FLOSFIA现在将开发自己的生产线，着眼于2018年开始商业化生产，其生产各种薄膜、增强MISTDRY技术，实现功率器件的商业化，并实现其技术应用于电极材料、具有功能特性的氧化物电子器件，电镀和聚合物。

综上，氧化镓是一种新兴的功率半导体材料，其带隙大于硅，氮化镓和碳化硅，但在成为电力电子产品的主要参与者之前，仍需要开展更多的研发和推进工作。