12024-21-4/解析半導體氧化鎵技術的出現

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。根據布法羅大學（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有半導體無法實現的新可能性。”

電子工業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所需的能量。采用高帶隙材料制成的系統可以比由帶隙較低的材料組成的系統更薄、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，從而減少對龐大的冷卻系統的需求。

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。但它可能有助于調節大規模運營中的能量流，例如收獲太陽能和風能的發電廠，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。”

然而，要實現這一目標，必須解決一些挑戰，他說。特別是，必須設計基于氧化鎵的系統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絡以及布法羅大學環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生，”空軍研究實驗室的首席電子工程師Gregg Jessen說。“通常，您可以通過縮小設備來實現此目的。但是，目前使用的技術已經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。”

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。“臨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的挑戰。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，現在是參與該領域的好時機。”

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常關MOSFET的可能性 。這是一項具有開創性的工作，因為生產常關MOSFET一直被認為極具挑戰性。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年發現p型Ir 2 O3，它被認為是非常難以實現的常關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，FLOSFIA致力于開發低損耗功率器件。該公司成功開發了一種SBD，其具有目前可用的任何類型的最低特定導通電阻，實現與降低功率相關的技術，比以前減少了90％。FLOSFIA現在將開發自己的生產線，著眼于2018年開始商業化生產，其生產各種薄膜、增強MISTDRY技術，實現功率器件的商業化，并實現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品的主要參與者之前，仍需要開展更多的研發和推進工作。