目前，以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第三代化合物半導(dǎo)體受到的關(guān)注度越來越高，它們?cè)谖磥淼拇蠊β省⒏邷?、高壓?yīng)用場合將發(fā)揮傳統(tǒng)的硅器件無法實(shí)現(xiàn)的作用。特別是在未來三大新興應(yīng)用領(lǐng)域(汽車、5G和物聯(lián)網(wǎng))之一的汽車方面，會(huì)有非常廣闊的發(fā)展前景。

然而，SiC和GaN并不是終點(diǎn)，zui近，氧化鎵(Ga2O3)再一次走入了人們的視野，憑借其比SiC和GaN更寬的禁帶，該種化合物半導(dǎo)體在更高功率的應(yīng)用方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此，近幾年關(guān)于氧化鎵的研究又熱了起來。

實(shí)際上，氧化鎵并不是很新的技術(shù)，多年前就有公司和研究機(jī)構(gòu)對(duì)其在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行鉆研，但就實(shí)際應(yīng)用場景來看，過去不如SiC和GaN的應(yīng)用面廣，所以相關(guān)研發(fā)工作的風(fēng)頭都被后二者搶去了。而隨著應(yīng)用需求的發(fā)展愈加明朗，未來對(duì)高功率器件的性能要求越來越高，這使得人們更深切地看到了氧化鎵的優(yōu)勢(shì)和前景，相應(yīng)的研發(fā)工作又多了起來，已成為美國、日本、德國等國家的研究熱點(diǎn)和競爭重點(diǎn)。而我國在這方面還是比較欠缺的。

研究進(jìn)展

高質(zhì)量β-Ga 2O 3晶體

一直以來，中國在β-Ga2O3晶體材料和器件方面的研究相對(duì)落后，尤其是功率器件的研究很少，關(guān)鍵原因是受限于大尺寸、高質(zhì)量β-Ga2O3晶體的獲得。

2017年8月，我國同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院唐慧麗副教授、徐軍教授團(tuán)隊(duì)采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)模法技術(shù)，成功制備出2英寸高質(zhì)量β-Ga2O3單晶。獲得的高質(zhì)量β-Ga2O3單晶，X射線雙晶搖擺曲線半高寬27″，位錯(cuò)密度3.2×104cm-2，表面粗糙度<5A，該項(xiàng)研究成果將有力推動(dòng)我國氧化鎵基電力電子器件和探測器件的發(fā)展。

α- Ga2O3

α-Ga2O3是京都大學(xué)藤田靜雄教授全球首次開發(fā)成功的單結(jié)晶合成材料，可用于電動(dòng)車的轉(zhuǎn)換器，能實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本、小型輕量化。

氧化鎵MOSFET

今年早些時(shí)候，布法羅大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院電氣工程副教授Uttam Singisetti博士和他的學(xué)生制造了一個(gè)厚度為5微米、由氧化鎵制成的MOSFET。

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(dǎo)體的記錄增加了一倍多。擊穿電壓是將材料從絕緣體轉(zhuǎn)換為導(dǎo)體所需的電量。擊穿電壓越高，器件可以處理的功率越高。

由于晶體管的尺寸相對(duì)較大，因此不適合智能手機(jī)和其他小型設(shè)備。但它可能有助于調(diào)節(jié)大規(guī)模運(yùn)營中的能量流，例如收獲太陽能和風(fēng)能的發(fā)電廠，以及電動(dòng)汽車、火車和飛機(jī)等。但是，該研究還需要深入下去，以解決其導(dǎo)熱性差的缺點(diǎn)。

縱向 Ga2O3功率器件

近期，日本情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)與東京農(nóng)工大學(xué)演示了一種“縱向的”氧化鎵MOSFET，它采用“全離子注入(all-ion-implanted)”工藝進(jìn)行N型與P型摻雜，為低成本、高可制造性的Ga2O3功率電子器件鋪路。

過去幾年來，Ga2O3晶體管的開發(fā)集中于研究橫向幾何結(jié)構(gòu)。然而，由于器件面積較大、發(fā)熱帶來的可靠性問題、表面不穩(wěn)定性，橫向器件不容易經(jīng)受住許多應(yīng)用所需的高電流與高電壓的考驗(yàn)。

相比而言，縱向幾何結(jié)構(gòu)能以更高的電流驅(qū)動(dòng)，不必增加芯片尺寸，從而簡化了熱管理。縱向晶體管開關(guān)的特性，是通過向半導(dǎo)體中引入兩種雜質(zhì)(摻雜劑)來設(shè)計(jì)的。開關(guān)“打開”時(shí)，N型摻雜，提供移動(dòng)的載流子(電子)，用于攜帶電流;開關(guān)“關(guān)閉”時(shí)，P型摻雜，會(huì)啟動(dòng)電壓阻斷。

Masataka Higashiwaki領(lǐng)導(dǎo)的NICT科研小組率先在Ga2O3器件中使用硅作為N型摻雜劑，但是科學(xué)界長期以來一直在為找到一種合適的P型摻雜劑而努力。今年早些時(shí)候，同一科研小組，公布了用氮(N)作為P型摻雜劑的可行性。他們*新的成果包括首次通過高能量摻雜劑引入工藝，即所謂的“離子注入”，整合硅與氮摻雜，設(shè)計(jì)出一個(gè)Ga2O3晶體管。

據(jù)悉，縱向功率器件可以實(shí)現(xiàn)超過100A的電流和超過1kV的電壓，這樣的結(jié)合是許多應(yīng)用所要求的，特別是電力工業(yè)和汽車電力系統(tǒng)所需要的。

熱管理方法研究

近期，美國佛羅里達(dá)大學(xué)、美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室和韓國大學(xué)的研究人員也在研究氧化鎵MOSFET。佛羅里達(dá)大學(xué)材料科學(xué)與工程教授Stephen Pearton表示，它們正在研究氧化鎵作為MOSFET的發(fā)展?jié)摿?。傳統(tǒng)上，這些微型電子開關(guān)由硅制成，用于筆記本電腦、智能手機(jī)和其他電子產(chǎn)品。

對(duì)于像電動(dòng)汽車充電站這樣的系統(tǒng)，需要能夠在比硅基器件更高的功率水平下工作的MOSFET，而氧化鎵可能就是解決方案。為了實(shí)現(xiàn)這些先進(jìn)的MOSFET，該團(tuán)隊(duì)確定了需要改進(jìn)柵極電介質(zhì)，以及更有效地從器件中釋放熱量的熱管理方法。