新一代半导体材料氧化镓应用研究

在所有其他参数相同的情况下，对于电子应用，宽带隙(WBG)半导体优于窄带半导体(如硅)，因为导带和价带之间的大能量分离允许这些器件在高温和较高电压下工作。例如，与行业巨头硅1.1eV的相对窄带隙相比，氮化镓(GaN)的带隙为3.4eV。

带隙测量将电子推入导电状态需要多少能量；更大的带隙使材料能够承受更强的电场，因此与由带隙较低的材料组成的部件相比，组件可以更薄(对于给定的电压)、更轻、处理更多的功率。

具有较大带隙的半导体已经被开发用于硅不能提供足够功率密度以获得必要结果的应用。尤其是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)在功率开关和/或功率放大器应用方面取得了巨大进步。除了这些公认的市场，用于自动驾驶汽车的激光雷达传感器和用于机器人的运动控制是其他新兴领域。SiC MOSFETs在手机应用中也很常见，GaN功率晶体管在数据中心服务器电源等600 V细分市场也有应用。

现在，宽带隙半导体在市场上的可用性和性能已经确定但是，就在碳化硅和氮化镓站稳脚跟的时候，另一种带隙更大的半导体出现了。宽带隙半导体氧化镓(Ga2O3)有望成为肖特基势垒二极管和场效应晶体管等功率转换系统的下一代器件。由宽带隙半导体制成的肖特基整流器具有快速的开关速度，对于提高电机控制器和电源的效率以及低正向压降和高温可操作性非常重要。

Ga2O3的带隙是4.4至4.9电子伏，取决于晶体结构，这代表着氮化镓和碳化硅的主要增长。当然，还有其他带隙更宽的半导体，如氮化铝(AlN)和金刚石，但到目前为止，这些只是学术界感兴趣的。

预计氧化镓在高功率和高频器件中特别有用。与其他半导体不同，它也可以直接从熔融状态生产，从而能够大规模生产高质量的晶体。

由于Ga2O3作为高击穿电压器件应用的主要候选物的潜力，对Ga2O 3的兴趣在过去几年中迅速增长。它在高功率开关中的应用由大约8 MV/cm的高临界场强支持。像氮化镓一样，Ga2O3具有比硅更高的临界电场强度，其更高的电子迁移率使得器件在给定的导通电阻和击穿电压下具有更小的尺寸。这允许设备在物理上更小。

Ga2O3电子产品的最初目标是用于DC/DC和DC/交流应用的高功率转换器。肖特基二极管可以在开关模式功率转换器中补充600伏硅或碳化硅整流器。人们应该记住，在电源开关应用中，工作电压受到击穿电场强度(Ebr)的限制，这是这里的关键规格。Ga2O3的临界场强是硅的20倍以上，是SiC和GaN的2倍以上。因此，它应该能够在高电压和高温下工作，同时产生比当前发电设备高得多的功率。到目前为止，用Ga2O3演示的电子器件包括击穿电压> 1 kV的千伏级肖特基整流器和临界场强大于典型氮化镓或碳化硅值的金属氧化物半导体场效应晶体管。

由于许多关键器件参数随着带隙值呈指数级提高，因此这种提高足以证明全面开发新技术的努力是合理的。也就是说，必须补充的是，Ga2O3有局限性——与其他WBG材料相比，它的热导率非常低。

由于已经提到的原因，Ga2O3可能会补充碳化硅和氮化镓，但预计不会取代它们。那么，除了更成熟的碳化硅和氮化镓功率器件技术之外，它还需要发挥什么作用呢？

如上所述，氧化镓的导热性很差。当你制造一个大功率设备时，你需要有一个良好的导热性来从设备中提取热量。首先，氧化镓的低热导率可以通过衬底或通过减薄衬底、使用散热器以及顶部散热来缓解。

此外，请记住，碳化硅功率器件从构思到商业化需要几十年的时间。同样，商用GaN射频(rf)晶体管最早出现在2004年，2008年有100 V器件，2012年有600 V器件。市售的碳化硅和氮化镓功率器件仍然具有高成本，并且碳化硅和氮化镓不能像硅一样从熔体中生长。

氮化镓和碳化硅目前覆盖许多相同的电压范围，氮化镓器件占主导地位，从几十到几百伏，碳化硅从大约1千伏到几千伏。氮化镓器件的未来——近期——电压范围应该从商用的1200伏器件到3300伏的实验器件，而碳化硅器件将扩展到600伏。换句话说，这些技术在很大程度上是互补的，并将继续共存。Ga2O3不会取代这些材料，但它可能在更高的电压下补充它们。

此外，现有的硅、碳化硅和氮化镓在工艺成熟度方面具有巨大优势，这一优势对于硅来说尤其如此。

对于Ga2O3来说，这一旅程才刚刚开始，因为关于其基本性质的报告和研究才刚刚开始出现。飞机电子、雷达和电子战系统电源、汽车电子、电动机控制器和功率调节等应用需要高效电源和功率转换器。

　　审核编辑：汤梓红