氧化镓Ga2O3比起GaN还具发展潜力
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氧化镓Ga2O3也是第三代半导体之一,比起GaN还具发展潜力。
在2002年5月,Lester F. Eastman和Umesh K. Mishra在IEEE Spectrum曾提出了当时功率
半导体领域一项长期发展的技术:氮化镓(GaN)的论据。他们对GaN在当时新生的宽带无
线网络、雷达以及用于电网的电源开关应用中之前景表示相当乐观。并将GaN器件称为“
迄今为止最坚固的电晶体”。
如今,GaN已成为固态射频功率应用领域无可争议的冠军,它也已经出现在雷达、5G无线
领域,并很快将在电动车中使用的功率逆变器中普及。现在,人们甚至可以随意购买基于
GaN器件设计的USB充电器,在其紧凑的尺寸中,提供了显著的高功率水准。
不过,随着透明的导电氧化物──氧化镓(Ga2O3)出现,这让这一情况变得可能。凭借
著氧化镓Ga2O3在接近5电子伏特的宽能隙(WBG),领先GaN(3.4eV),也比硅(1.1eV)更
具有大幅度优势。虽然金刚石和氮化铝的能隙比较大,但它们不具有氧化镓的特性,那就
是可以制造出廉价但功能强大的器件。
简单来说,仅仅只有材料具有宽带隙是不够的,例如:所有电介质和陶瓷都拥有更大宽带
隙,但是其只能用作绝缘体。但是氧化镓具有独特的品质组合,使其有用,可作为功率开
关和RF电子设备的材料候选人。
在对半导体至关重要的五个特性中,高临界电场强度是β-氧化镓的最大优势。这有助于
打造出高压开关,也可能意味着可设计出功能强大的RF设备。但是,β-氧化镓的最大缺
点是导热系数低,这意味着热量可能会滞留在设备内部。
此外,氧化镓还有一个不错的特性,借由掺杂(Doping)流程可以向其添加电荷载流子,
增加其导电性。氧化镓可以采用现存已建立的商业光刻和加工技术,以离子注入的标准制
程,以及在外延生长过程中沉积的杂质来添加掺杂剂。
氧化镓的另一个优点,就是在大型晶圆之结晶的氧化镓实际上非常容易制造。日本的
Novel Crystal Technology公司已经展示了150毫米的β-氧化镓芯片。
在日本资讯和通讯技术(NICT)研究所的Masataka Higashiwaki,是第一个意识到β-氧
化镓在电源开关应用中具有潜力的人。其于2012年报告,有关于首颗单结晶的β-氧化镓
电晶体后,震惊了整个功率器件领域。
尽管这些进展令人鼓舞,但氧化镓不太可能,在每种射频应用中挑战GaAs或GaN。
此外,有几个问题必须克服,首先是Ga2O3导热性不好;其次是只能使氧化镓传导电子而
不是电洞。不过,专家认为Ga2O3性能潜力仍大大超过了其问题,所以仍是值得关注的技
术。