氧化鎵在電子器件應(yīng)用的現(xiàn)狀和潛在發(fā)展

氧化鎵

近日，佛羅里達大學、美國海軍研究實驗室（NRL）與韓國大學對氧化鎵（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半導體材料具有良好的射頻性能以及高功率等許多優(yōu)勢（如圖1所示），但同時還具有很多需要克服的障礙。作者認為，Ga2O3電子器件很可能對現(xiàn)有的硅（Si），碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）技術(shù)進行技術(shù)互補，比如Ga2O3在低頻，高壓領(lǐng)域（如AC-DC轉(zhuǎn)換）會有良好的應(yīng)用。

圖1：顯示了對功率半導體器件重要的關(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行n型（電子）摻雜。寬帶隙與高臨界場相關(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。而對于Ga2O3來說，目前其擊穿電壓可高達3kV。

Ga2O3另外一個優(yōu)勢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來生產(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，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

該團隊強調(diào)“功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括航空電子設(shè)備和電動船的脈沖功率，重型電動機的固態(tài)驅(qū)動器，以及先進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)用范圍從實現(xiàn)可用到可靠的組件，最后再到可插入可持續(xù)市場基礎(chǔ)設(shè)施等各個方面。但Ga2O3還是存在一個重要的直接缺點：它的導熱率很低（10-30 W/m-K，對比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)移到另一層熱傳導更多的基板上；將基板減??；添加散熱器；頂部熱提取或使用風扇或液體流動的主動冷卻等。

Ga2O3存在的另一個缺點就是缺乏p型摻雜機制。從理論上看，這可能會是一個影響其應(yīng)用的根本問題。有文章曾指出：“由Ga2O3能帶結(jié)構(gòu)的第一性原理計算可以預(yù)期，由于它的低遷移率而在Ga2O3中發(fā)生空穴自陷，這會降低有效的p型導電性。理論表明，所有的受體摻雜劑都會產(chǎn)生深的受主能級，而不能產(chǎn)生p型導電性?！蹦壳皟H在高溫下才有任何p型電導率的報道，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型導電性的半導體材料結(jié)合起來是可能的。 在這一方面，碘化銅，氧化銅和氧化鎳是很好的選擇。

該團隊表示，目前離散功率器件的市場容量約為15-22億。與從SiC概念到SiC器件商業(yè)化的超過35年的發(fā)展類比，他們提出屬于Ga2O3市場的發(fā)展需要多長發(fā)展時間？

有文章評論道：“技術(shù)的發(fā)展，關(guān)鍵是要軍事電子開發(fā)機構(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)仍會長期存在于市場中。Ga2O3可以補充SiC和GaN的電力電子器件市場，但卻不會取代它們?！?/p>

該綜述最后認為需要逐步提升Ga2O3在七個方面的發(fā)展：外延生長；歐姆接觸；熱穩(wěn)定肖特基接觸；增強模式（即常關(guān)）晶體管操作；動態(tài)導通電阻降低；工藝集成和以及過被動和主動冷卻進行熱管理。