潛力無限的氧化鎵
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在那篇文章中，他們對氮化鎵在當(dāng)時新生的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)，雷達(dá)以及電網(wǎng)的電源開關(guān)應(yīng)用中中的前景表示了樂觀的看法。他們也將GaN器件稱為“迄今為止最堅固的晶體管”。
他們是正確的。GaN的寬帶隙（使束縛的電子斷裂并促進(jìn)傳導(dǎo)所需的能量）和其他品質(zhì)使我們能夠利用這種材料的高電場耐受能力，從而使器件具有前所未有的性能。
如今，GaN已成為固態(tài)射頻功率應(yīng)用領(lǐng)域無可爭議的冠軍，它已經(jīng)出現(xiàn)在雷達(dá)，5G無線領(lǐng)域，并很快將在電動汽車中使用的功率逆變器中普及。現(xiàn)在，您甚至可以隨意購買基于GaN器件設(shè)計的USB充電器，在其緊湊的尺寸中，提供了顯著的高功率水平。
不過，即使如次，我們還是會問，還有比GaN更好的東西嗎？有什么可以使RF放大器更強(qiáng)大，更高效的？有什么能使電力電子設(shè)備進(jìn)一步縮小，進(jìn)一步減輕飛機(jī)和汽車的負(fù)擔(dān)嗎？我們能找到帶隙更大但仍可以導(dǎo)電的材料嗎？
事實證明，答案是可以。
其實市場上具有不過擁有不少帶隙的材料，但是量子力學(xué)的特殊性意味著他們當(dāng)中的大多數(shù)幾乎都不能用作半導(dǎo)體。然而，有一個引人注目的候選：透明的導(dǎo)電氧化物——氧化鎵（Ga2O3）。
憑借其在接近5電子伏特的寬帶隙，氧化鎵領(lǐng)先GaN（3.4eV）一英里，與硅（1.1eV）相比，領(lǐng)先優(yōu)勢更是大到一個馬拉松。我們知道，金剛石和氮化鋁的帶隙也較大，但它們不具有Ga2O3所具有的特性，這是一組幸運(yùn)的特性，可用于制造廉價但功能強(qiáng)大的器件。
僅材料具有寬的帶隙是不夠的，因為如果這樣的話，所有電介質(zhì)和陶瓷都可以，這也是它們只能用作絕緣體的原因。但是氧化鎵具有獨(dú)特的品質(zhì)組合，可以使其非常有用，可作為功率開關(guān)和RF電子設(shè)備的材料候選。
插圖：IEEE Spectrum資料來源：Gregg H. Jessen等人在“第75屆年度設(shè)備研究會議（DRC）”上發(fā)表的“面向電力電子應(yīng)用的Ga2O3的實現(xiàn)”。
在對半導(dǎo)體至關(guān)重要的五個特性中，高臨界電場強(qiáng)度是β-氧化鎵的最大優(yōu)勢。這有助于打造高壓開關(guān)，也可能意味著可以基于其設(shè)計功能強(qiáng)大的RF設(shè)備。但是，β-氧化鎵的最大缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)低，這意味著熱量可能會滯留在設(shè)備內(nèi)部。
此外，氧化鎵還有一個不錯的特性，那就是您可以向它添加電荷載流子，以通過稱為摻雜的過程使其導(dǎo)電性更高。摻雜涉及向晶體中添加受控量的雜質(zhì)，以控制半導(dǎo)體中電荷載流子的濃度。例如在硅中，您可以使用離子注入，然后進(jìn)行退火，以便在晶體中摻雜磷（添加自由電子）或硼（減去它們），進(jìn)而使電荷可以在其中自由移動。在Ga2O3中，您可以用類似的方式添加電子。
不過如果你想嘗試在其他寬帶隙氧化物中使用這種方法，你最終得到的有可能粉碎的晶體和晶格中的斑點(diǎn)，這樣的話電荷會被卡住。
氧化鎵對通過標(biāo)準(zhǔn)工藝（稱為離子注入）以及在外延生長期間（沉積額外的晶體）添加摻雜劑的適應(yīng)性，使我們可以借用大量已建立的商業(yè)光刻和加工技術(shù)。這些方法使得在數(shù)十納米中精確定義晶體管尺寸并產(chǎn)生各種方式的器件拓?fù)渥兊孟鄬θ菀?。然而其他具有寬禁帶的半?dǎo)體材料沒有這個難以置信的有用功能。甚至GaN都無法做到這一點(diǎn)。
氧化鎵的另一個優(yōu)點(diǎn)是，隨著這些事情的發(fā)展，晶體Ga2O3的大硅片實際上非常容易制造。盡管Ga2O3晶體有幾種類型，但最穩(wěn)定的稱為β，其次為ε和α。其中，β-Ga2O3的整體研究是最多的，這主要得益于日本筑波國立材料科學(xué)研究所和位于柏林的Leibniz-Institut für Kristallzüchtung等機(jī)構(gòu)的努力。
β-Ga2O3最吸引人的地方在于它的熱穩(wěn)定性，這使其可以使用大量目前已經(jīng)廣泛使用的技術(shù)來制造，包括用于制造硅晶片的Czochralski方法。我們也可以使用一種被稱為edge-defined,film-fed的晶體生長技術(shù)。如今，晶體甚至可以通過高度可擴(kuò)展的垂直Bridgman-Stockbarger技術(shù)生長。
很難夸大描述這種情況與其他寬帶隙半導(dǎo)體有何不同。不過從當(dāng)前看來，除碳化硅（SiC）以外，大部分的新興寬帶隙半導(dǎo)體根本沒有在其上生長大晶體的大尺寸基板。這意味著它們必須在另一種材料的盤上生長，這是有代價的。例如，氮化鎵通常以復(fù)雜的過程生長在硅，碳化硅或藍(lán)寶石襯底上。但是這些基板的晶體結(jié)構(gòu)顯然與GaN的晶體結(jié)構(gòu)不同，并且這種差異會在基板和GaN之間造成“晶格失配”，從而導(dǎo)致大量缺陷。這些缺陷為生產(chǎn)的設(shè)備帶來了許多問題。因為Ga2O3充當(dāng)其自身的襯底，沒有錯配，因此沒有缺陷。日本的Novel Crystal Technology已經(jīng)展示了150毫米的β-Ga2O3。
在日本信息和通信技術(shù)（NICT）研究所的Masataka Higashiwaki是第一個意識到β-Ga2O3在電源開關(guān)應(yīng)用里潛力的人。2012年，在他的研究小組報告了首個單晶的β-Ga2O3晶體管后，他震驚了整個功率器件領(lǐng)域。這種產(chǎn)品有多好？舉個例子，功率晶體管的關(guān)鍵指標(biāo)之一就是擊穿電壓，達(dá)到這個臨界點(diǎn)，半導(dǎo)體阻止電流流動的能力就會崩潰。而Higashiwaki推出的開創(chuàng)性晶體管的擊穿電壓大于250V。作為比較，GaN達(dá)到這一成就，花了近二十年的時間。
Higashiwaki在開創(chuàng)性的工作中描述，由于使用具有高臨界電場強(qiáng)度的材料，他們還大大降低了器件的功率損耗，這個被稱為E c的特性是氧化鎵的真正超能力。
簡而言之，如果您在兩個導(dǎo)體之間夾有一種材料，并且提高了電壓，則E c是該材料開始導(dǎo)電的電場。在很多時候，這個電壓有時會帶來災(zāi)難性的結(jié)果。硅的臨界場強(qiáng)通常以每厘米數(shù)百千伏來測量，而Ga2O3的臨界場強(qiáng)為每厘米8兆伏。
圖片：空軍研究實驗室
高壓英雄：上圖這種氧化鎵晶體管（在上方以兩個放大倍數(shù)顯示（a和b），在截面（c）中顯示）僅在600納米內(nèi)保持200伏以上的電壓。
當(dāng)您考慮理想的功率開關(guān)晶體管時，具有非常高的E c會是最大的吸引力之一。理想情況下，設(shè)備會在兩種狀態(tài)之間即時切換：一直導(dǎo)通（無電阻導(dǎo)通），一直斷開（完全不導(dǎo)通）。這兩個極端有著兩個非常不同的設(shè)備幾何形狀。對于關(guān)斷狀態(tài)，您需要在晶體管的源極和漏極之間放置一層較厚的材料，以防止導(dǎo)通并阻止大電壓。對于接通狀態(tài)，您需要一個無限薄的區(qū)域，讓它沒有阻力。
當(dāng)然，您不能同時擁有兩者。材料的臨界電場強(qiáng)度決定了該區(qū)域?qū)嶋H上可以做到多薄到仍然關(guān)閉的狀態(tài)。
低頻功率開關(guān)半導(dǎo)體的關(guān)鍵指標(biāo)稱為Baliga品質(zhì)因數(shù)，以IEEE榮譽(yù)勛章獲得者B. Jayant Baliga命名。本質(zhì)上，它指示設(shè)備的輸出在高電壓下對輸入信號的細(xì)節(jié)的再現(xiàn)程度。對于在高達(dá)千赫茲范圍的頻率下作為開關(guān)工作的晶體管來說，這是一個非常重要的特性。此類設(shè)備存在于多千伏級變電站設(shè)備，用于醫(yī)學(xué)成像的高能光子發(fā)生器以及用于電動汽車和工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器的功率逆變器中。
對于所有這些甚至更多應(yīng)用來說，Ga2O3具有天然的優(yōu)勢。在這些頻率下，品質(zhì)因數(shù)與臨界電場的立方成正比。如此高的E c意味著一個很好的品質(zhì)因數(shù)。
數(shù)學(xué)運(yùn)算的背后是這樣一個事實，即這種開關(guān)將大部分時間花費(fèi)在完全接通或完全斷開上，而在兩者之間進(jìn)行切換的時間卻很少。因此，大多數(shù)功率損耗只是從電阻到設(shè)備開啟時的電流。當(dāng)E c高時，可以使用更薄的設(shè)備，這意味著較小的電阻。
Higashiwaki的工作傳達(dá)的信息很簡單：您可以使用強(qiáng)力的高電場強(qiáng)度來實現(xiàn)高壓開關(guān)，該開關(guān)在低頻時幾乎不會損失功率。其他研究團(tuán)體很快也領(lǐng)悟到了這個信息。到2013年，研究人員已經(jīng)演示了擊穿電壓為370V的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）。2016年，當(dāng)時屬于NICT的Higashiwaki小組的Man Hoi Wong使用一種稱為場鍍的附加結(jié)構(gòu)將電壓推至750V以上。在這些器件中，Ga2O3獲得較高工作電壓的相對難易程度確實非常顯著。在短短幾年內(nèi)，對材料的研究取得了長足的進(jìn)步，而GaN葉需要數(shù)十年的時間。
Ga2O3在快速開關(guān)電源應(yīng)用中會有用嗎？這又是大家關(guān)注的另一個點(diǎn)。需要強(qiáng)調(diào)一下，E c在這里也同樣也很重要，并可能給Ga2O3帶來很大的優(yōu)勢。
在較高的頻率（例如100赫茲到1兆赫茲）下，設(shè)備開啟和關(guān)閉所花費(fèi)的時間成比例地增加。開關(guān)期間的損耗是器件電阻與晶體管柵極上需要積累多少電荷才能進(jìn)行開關(guān)的乘積。進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，這意味著損耗與臨界電場強(qiáng)度的平方成正比，而不是與低頻的立方成正比。
圖片：空軍研究實驗室上圖展示了氧化鎵的射頻應(yīng)用潛力，這種早期的氧化鎵射頻晶體管的一小部分（本征）對其操作很重要。降低器件中的寄生電阻可以提高功率和頻率。
您會發(fā)現(xiàn)在手機(jī)充電器這樣簡單的應(yīng)用中，電源切換速度更快會帶來更多的好處。開關(guān)電源的工作原理是首先對墻上插頭的交流電壓進(jìn)行整流，然后將其斬波成高頻信號。變壓器將電壓降低至所需水平，最后對信號進(jìn)行整流和濾波。該系統(tǒng)中最龐大的部分是變壓器和其他無源組件，并且只有在增加頻率時才可以使用較小的組件。而且，如果您想要更高的頻率，那么具有更寬的帶隙和更高的臨界電場的半導(dǎo)體將使您更有效地獲得它，同時還簡化了散熱。
例如，以20kHz頻率開關(guān)的1200V硅逆變器可以提供大約3千瓦的功率。但是，通過以150kHz頻率進(jìn)行開關(guān)，且提供相同功率的碳化硅逆變器可以在尺寸為三分之一的封裝中以更高的溫度工作。作為對比，基于Ga2O3的逆變器可以以接近兆赫茲的頻率工作，并且可以再小一半（盡管這將需要尚未發(fā)明的磁性組件）。
因此，總而言之，Ga2O3等材料的真正電子性能來自于充分利用其臨界電場強(qiáng)度。但是那個值到底是什么呢？直到2015年，還沒有一個小組對材料可達(dá)到的場強(qiáng)進(jìn)行實測。與其他設(shè)備一樣，初步結(jié)果也遠(yuǎn)未達(dá)到理論極限。
在俄亥俄州懷特·帕特森空軍基地的空軍研究實驗室工作時，我和我的同事們正面臨著這一挑戰(zhàn)。我們遇到的第一個問題是，使用具有如此高的場強(qiáng)的材料制成的任何設(shè)備都有可能超越現(xiàn)有測試設(shè)備的極限。因為原則上，2微米的材料可能會阻塞1.5kV以上！因此，我們構(gòu)建了一個簡單的MOSFET，其幾何尺寸按比例縮小以降低電壓。電場最高的柵極和漏極之間的間隙只有600納米。這部分是為了使測量峰值E c更加容易，而且還因為我們希望能夠在RF頻率下測試設(shè)備，而更大的高壓設(shè)計是不允許的。
在這個早期的演示中，晶體管能夠承受230V的電壓，這是RF測試設(shè)備的極限。產(chǎn)生的平均電場為至少3.8兆伏/厘米，模擬顯示內(nèi)部電場的峰值至少為5.3MV/cm。（我們永遠(yuǎn)都不會在FET中觀察到完整的8MV/cm），這是首次實驗證明Ga2O3具有比GaN更大大的E C理論值（3.3MV/cm左右）。換個角度來看，額定工作電壓為600V的，類似GaN功率晶體管的柵漏間隙通常約為15至20 μm，而我們的波長為600nm。
在提出此結(jié)論之后，功率開關(guān)晶體管的就以驚人的速度發(fā)展了。2017年，我們制造了擊穿電壓大于600V的MOSFET。在2018年初，使用不同幾何形狀的MOSFET達(dá)到的高頻損耗值達(dá)到或超過了硅的理論極限。更重要的是，我們現(xiàn)在在未來幾年內(nèi)有一條通向匹配或超越最新GaN值的清晰道路。
照片：Novel Crystal Technology與許多寬帶隙半導(dǎo)體不同，氧化鎵晶圓可以使用與硅晶圓大致相同的工藝制造。因此，這意味著無缺陷的設(shè)備可能會變得相對便宜。
當(dāng)我們在2015年測量電源開關(guān)的E c時，我們還推測Ga2O3可能會在RF電路中找到類似的成功，同樣是通過在較小的設(shè)備中允許更高的電場來實現(xiàn)的。但是那時，缺少了一些關(guān)鍵信息——還沒有關(guān)于材料中電子速度與電場的函數(shù)關(guān)系的公開數(shù)據(jù)。
在用于放大射頻信號的晶體管中，電子速度特別重要。在射頻中，高功率輸出和高頻是目標(biāo)，而Johnson’s figure of merit (JFOM)總結(jié)了這些目標(biāo)。JFOM說，RF晶體管的功率和頻率的乘積與半導(dǎo)體材料中電荷載流子的最大速度與E c的乘積成正比。在這里，我們要知道的關(guān)鍵是，在RF晶體管中，只有當(dāng)載流子能夠在RF波形的極性切換之前使它從源極一直流到漏極時，您才能得到放大。（發(fā)生這種情況的最高頻率稱為單位電流增益頻率，即f T。）
再次，Ga2O3的高臨界電場發(fā)揮了作用，因為您可以縮小該臨界距離，但仍提供一個強(qiáng)大的電場來將電子加速到其最大速度。
在AFRL，我們設(shè)法在2017年展示了首款亞微米級的氧化鎵RF MOSFET。這些設(shè)備帶來了一些令人印象深刻的數(shù)字，盡管它們并不是GaN聯(lián)盟中的佼佼者。它們的單位電流增益頻率為3GHz，最大振蕩頻率為13GHz，在800MHz時的輸出功率密度為230毫瓦/毫米。從那以后，AFRL的脈沖射頻功率輸出密度在1GHz時超過500mW/mm，最大振蕩頻率接近20GHz。
更令人鼓舞的是，大約在同一時間，Krishnendu Ghosh和布法羅大學(xué)Uttam Singisetti（University of Buffalo）的理論計算結(jié)果表明，氧化鎵的JFOM明顯優(yōu)于氮化鎵。
自2017年首次展示RF功能以來，RF Ga2O3技術(shù)首先在在Sriram Krishnamoorthy取得巨大進(jìn)步，然后與俄亥俄州立大學(xué)的Siddharth Rajan團(tuán)隊一起展示了新的和改進(jìn)的摻雜技術(shù)。這些技術(shù)是從硅中借來的，因此在發(fā)生導(dǎo)電的材料片中產(chǎn)生的電阻非常低，大約為每平方300歐姆。（是的，這是正確的單位。）這與您在氮化鎵器件中所能找到的相當(dāng)。取得這一結(jié)果后不久，Rajan和加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的研究人員，獨(dú)立地展示了與高電子遷移率晶體管（HEMT）類似的Ga2O3。D:tagHEMT
這種類型的設(shè)備通常由砷化鎵或氮化鎵制成，對于手機(jī)和衛(wèi)星電視接收器來說，射頻都是至關(guān)重要的。此類器件通過二維電子氣傳導(dǎo)，該二維電子氣在具有不同帶隙的兩個半導(dǎo)體之間的尖銳界面處形成。在這種情況下，它是氧化鋁鎵和氧化鎵，這與智能手機(jī)中的商業(yè)化砷化鋁鎵/砷化鎵HEMT技術(shù)完全相似。這些關(guān)鍵的突破為RF設(shè)備的垂直和橫向擴(kuò)展提供了一條途徑。
盡管這些進(jìn)展令人鼓舞，但Ga2O3不太可能在每種射頻應(yīng)用中挑戰(zhàn)砷化鎵（GaAs）或GaN。作為一款基本良好的開關(guān)，我們希望它在開關(guān)模式放大器（例如D類，E或F類）中具有優(yōu)勢。在這些器件中，該器件的導(dǎo)通電阻非常低，并且可利用低電流，高擊穿電壓電壓特性實現(xiàn)非常高的效率。另一方面，要求較低阻抗和高電流的器件應(yīng)用將青睞GaN，這主要是因為其電荷載流子遷移率和電荷載流子密度更高。
那么Ga2O3會面臨怎樣的挑戰(zhàn)？
現(xiàn)在，請考慮以下問題：為了獲得材料對設(shè)備的熱導(dǎo)率的真實對比，您需要將其歸一化為材料處理功率的能力。換句話說，您需要除以E C才能準(zhǔn)確比較實際器件中的散熱問題。當(dāng)您這樣做時，您發(fā)現(xiàn)帶隙大于硅的每個半導(dǎo)體在充分發(fā)揮其潛力時都存在散熱問題，甚至是鉆石。盡管這一事實仍未對Ga2O3產(chǎn)生很多幫助，但它促使我們嘗試尋找更好的散熱方法。
例如，東京NICT實驗室的研究人員通過將p型多晶SiC粘合到薄到約10μm的Ga2O3硅片的背面，大大提高了器件的熱阻。而且，注意到對于某些器件拓?fù)?，實際上所有熱量都是在材料的頂部1μm中產(chǎn)生的，AFRL研究人員獲得了令人鼓舞的結(jié)果，該結(jié)果模擬了電極接觸并使用介電填料將熱量分流到散熱器的效果。這是當(dāng)今在商業(yè)化砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極晶體管中使用的技巧。因此，盡管在Ga2O3中存在熱挑戰(zhàn)，但聰明的工程師們正在努力。
另一個更根本的問題是，我們只能使氧化鎵傳導(dǎo)電子而不是空穴。沒有人能用Ga2O3制成好的p型導(dǎo)體。而且，令人沮喪的是，該材料的基本電子特性沒有太大希望。特別是，材料帶結(jié)構(gòu)的價帶部分的空穴傳導(dǎo)形狀不正確。因此，即使存在某種摻雜劑導(dǎo)致受體處于正確的能級，所產(chǎn)生的任何空穴也有望在能有助于傳導(dǎo)之前自陷。當(dāng)理論和數(shù)據(jù)如此一致時，很難說有辦法解決這個缺點(diǎn)。
盡管這種弱點(diǎn)確實帶來了額外的挑戰(zhàn)，它也并不是一帆風(fēng)順的。許多所謂的僅多數(shù)運(yùn)營商的設(shè)備已經(jīng)獲得商業(yè)成功。作為示例，您只需要看盡可能多的USB-C壁式充電器。
Ga2O3器件技術(shù)的研究階段才剛剛開始達(dá)到臨界質(zhì)量，我們現(xiàn)在正在規(guī)劃快速開關(guān)，多千伏級功率晶體管和RF器件的應(yīng)用空間。千伏級設(shè)備的新示范現(xiàn)在也經(jīng)常出現(xiàn)。臨界尺寸在幾十納米的RF晶體管即將問世。隨著我們推動這項技術(shù)的發(fā)展，我們認(rèn)為我們將能夠?qū)崿F(xiàn)以前在任何其他材料中都無法實現(xiàn)的設(shè)備拓?fù)洹?/span>
當(dāng)然，我們會在前進(jìn)過程中打破破一些東西（主要是電介質(zhì)）。但這就是破壞性技術(shù)的定義。我們用已知的東西換取潛在的性能。目前，對于Ga2O3，其性能潛力大大超過了問題。
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