功率半導體GaO開始挑戰GaN和SiC
：2018-11-15
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電子工業正在盡可能地将矽最大化應用，但其畢竟還是有局限的，這就是爲什麽研究人員正在探索其它材料，如碳化矽，氮化镓和氧化镓。雖然氧化镓的導熱性能較差，但其帶隙（約4.8電子伏特或eV）超過碳化矽（約3.4eV），氮化镓（約3.3eV）和矽（1.1eV）的帶隙。
帶隙可衡量使電子進入導通狀态所需的能量。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、由氧化镓制成的金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），而一張紙的厚度約爲100微米。
研究人員表示，該晶體管的擊穿電壓爲1,850 V，比氧化镓半導體的記錄增加了一倍多。擊穿電壓是将材料（在這種情況下爲氧化镓）從絕緣體轉換爲導體所需的電量。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，因此不适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矽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。“氧化镓可以讓我們在使用更少的材料時達到并最終超過矽基器件。這可催生出更輕、更省油的電動汽車。”
然而，要實現這一目标，必須解決一些挑戰，他說。特别是，必須設計基于氧化镓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。
更多的氧化镓研究
其他研究人員也正在研究氧化镓。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概述了使用氧化镓生産微電子的案例。作者專注于場效應晶體管（FET），這些器件可以從氧化镓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産生，”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，氧化镓可以達到極端程度。大面積的氧化镓晶圓也可以從熔體中生長，從而降低了制造成本。
“下一個氧化镓應用将是電源的單極FET，”Jessen說。“臨界場強是這裏的關鍵指标，它具有卓越的能量密度能力。氧化镓的臨界場強是矽的20倍以上，是碳化矽和氮化镓的兩倍多。”
作者讨論了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器件将占主導地位。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，氧化镓真的令人興奮，”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。”
第一個氧化镓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，因爲生産常關MOSFET一直被認爲極具挑戰性。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，然後是MOSFET。
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，栅極絕緣體和電極組成（見圖2 和圖 3 ）。從I-V曲線外推的栅極阈值電壓爲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，它被認爲是非常難以實現的常關MOSFET。
FLOSFIA總部位于日本京都，是京都大學研究的副産品，專門從事霧化學氣相沉積（CVD）成膜。利用氧化镓（Ga 2 O 3）的物理特性，FLOSFIA緻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現在将開發自己的生産線，着眼于2018年開始商業化生産，其生産各種薄膜、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，氧化镓是一種新興的功率半導體材料，其帶隙大于矽，氮化镓和碳化矽，但在成爲電力電子産品的主要參與者之前，仍需要開展更多的研發和推進工作。
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