潛力無限的氧化鎵

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2022-03-17 07:43:38 7

在2002年5月， Lester F. Eastman和Umesh K. Mishra撰文談到了當時功率半導體領域一項長期發展的技術：氮化鎵（GaN）。
在那篇文章中，他們對氮化鎵在當時新生的寬帶無線網絡，雷達以及電網的電源開關應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傳導所需的能量）和其他品質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已成為固態射頻功率應用領域無可爭議的*，它已經出現在雷達，5G無線領域，并很快將在電動汽車中使用的功率逆變器中普及。現在，您甚至可以隨意購買基于GaN器件設計的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放大器更強大，更高效的？有什么能使電力電子設備進一步縮小，進一步減輕飛機和汽車的負擔嗎？我們能找到帶隙更大但仍可以導電的材料嗎？
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，但是量子力學的特殊性意味著他們當中的大多數幾乎都不能用作半導體。然而，有一個引人注目的候選：透明的導電氧化物——氧化鎵（Ga2O3）。
憑借其在接近5電子伏特的寬帶隙，氧化鎵*GaN（3.4eV）一英里，與硅（1.1eV）相比，*優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，這是一組幸運的特性，可用于制造廉價但功能強大的器件。
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。但是氧化鎵具有獨特的品質組合，可以使其非常有用，可作為功率開關和RF電子設備的材料候選。
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插圖：IEEE Spectrum資料來源：Gregg H. Jessen等人在“第75屆年度設備研究會議（DRC）”上發表的“面向電力電子應用的Ga2O3的實現”。

在對半導體至關重要的五個特性中，高臨界電場強度是β-氧化鎵的最大優勢。這有助于打造高壓開關，也可能意味著可以基于其設計功能強大的RF設備。但是，β-氧化鎵的最大缺點是導熱系數低，這意味著熱量可能會滯留在設備內部。
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電性更高。摻雜涉及向晶體中添加受控量的雜質，以控制半導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，這樣的話電荷會被卡住。
氧化鎵對通過標準工藝（稱為離子注入）以及在外延生長期間（沉積額外的晶體）添加摻雜劑的適應性，使我們可以借用大量已建立的商業光刻和加工技術。這些方法使得在數十納米中精確定義晶體管尺寸并產生各種方式的器件拓撲變得相對容易。然而其他具有寬禁帶的半導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。
氧化鎵的另一個優點是，隨著這些事情的發展，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研究所和位于柏林的Leibniz-Institut für Kristallzüchtung 等機構的努力。
β-Ga2O3最吸引人的地方在于它的熱穩定性，這使其可以使用大量目前已經廣泛使用的技術來制造，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。如今，晶體甚至可以通過高度可擴展的垂直Bridgman-Stockbarger技術生長。
很難夸大描述這種情況與其他寬帶隙半導體有何不同。不過從當前看來，除碳化硅（SiC）以外，大部分的新興寬帶隙半導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，氮化鎵通常以復雜的過程生長在硅，碳化硅或藍寶石襯底上。但是這些基板的晶體結構顯然與GaN的晶體結構不同，并且這種差異會在基板和GaN之間造成“晶格失配”，從而導致大量缺陷。這些缺陷為生產的設備帶來了許多問題。因為Ga2O3充當其自身的襯底，沒有錯配，因此沒有缺陷。日本的Novel Crystal Technology已經展示了150毫米的β-Ga2O3。
在日本信息和通信技術（NICT）研究所的Masataka Higashiwaki是*個意識到β-Ga2O3在電源開關應用里潛力的人。2012年，在他的研究小組報告了*單晶的β-Ga2O3晶體管后，他震驚了整個功率器件領域。這種產品有多好？舉個例子，功率晶體管的關鍵指標之一就是擊穿電壓，達到這個臨界點，半導體阻止電流流動的能力就會崩潰。而Higashiwaki推出的開創性晶體管的擊穿電壓大于250V。作為比較，GaN達到這一成就，花了近二十年的時間。
Higashiwaki在開創性的工作中描述，由于使用具有高臨界電場強度的材料，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是該材料開始導電的電場。在很多時候，這個電壓有時會帶來災難性的結果。硅的臨界場強通常以每厘米數百千伏來測量，而Ga2O3的臨界場強為每厘米8兆伏。

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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顯示（a和b），在截面（c）中顯示）僅在600納米內保持200伏以上的電壓。

當您考慮理想的功率開關晶體管時，具有非常高的E c會是最大的吸引力之一。理想情況下，設備會在兩種狀態之間即時切換：一直導通（無電阻導通），一直斷開（完全不導通）。這兩個極端有著兩個非常不同的設備幾何形狀。對于關斷狀態，您需要在晶體管的源極和漏極之間放置一層較厚的材料，以防止導通并阻止大電壓。對于接通狀態，您需要一個無限薄的區域，讓它沒有阻力。
當然，您不能同時擁有兩者。材料的臨界電場強度決定了該區域實際上可以做到多薄到仍然關閉的狀態。
低頻功率開關半導體的關鍵指標稱為Baliga品質因數，以IEEE榮譽勛章獲得者B. Jayant Baliga命名。本質上，它指示設備的輸出在高電壓下對輸入信號的細節的再現程度。對于在高達千赫茲范圍的頻率下作為開關工作的晶體管來說，這是一個非常重要的特性。此類設備存在于多千伏級變電站設備，用于醫學成像的高能光子發生器以及用于電動汽車和工業電機驅動器的功率逆變器中。
對于所有這些甚至更多應用來說，Ga2O3具有天然的優勢。在這些頻率下，品質因數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因數。
數學運算的背后是這樣一個事實，即這種開關將大部分時間花費在完全接通或完全斷開上，而在兩者之間進行切換的時間卻很少。因此，大多數功率損耗只是從電阻到設備開啟時的電流。當E c高時，可以使用更薄的設備，這意味著較小的電阻。
Higashiwaki的工作傳達的信息很簡單：您可以使用強力的高電場強度來實現高壓開關，該開關在低頻時幾乎不會損失功率。其他研究團體很快也領悟到了這個信息。到2013年，研究人員已經演示了擊穿電壓為370V的金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。2016年，當時屬于NICT的Higashiwaki小組的Man Hoi Wong使用一種稱為場鍍的附加結構將電壓推至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，對材料的研究取得了長足的進步，而GaN葉需要數十年的時間。
Ga2O3在快速開關電源應用中會有用嗎？這又是大家關注的另一個點。需要強調一下，E c在這里也同樣也很重要，并可能給Ga2O3帶來很大的優勢。
在較高的頻率（例如100赫茲到1兆赫茲）下，設備開啟和關閉所花費的時間成比例地增加。開關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行開關的乘積。進行數學運算，這意味著損耗與臨界電場強度的平方成正比，而不是與低頻的立方成正比。
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圖片：空軍研究實驗室
上圖展示了氧化鎵的射頻應用潛力，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。
您會發現在手機充電器這樣簡單的應用中，電源切換速度更快會帶來更多的好處。開關電源的工作原理是首先對墻上插頭的交流電壓進行整流，然后將其斬波成高頻信號。變壓器將電壓降低至所需水平，最后對信號進行整流和濾波。該系統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頻率進行開關，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到的場強進行實測。與其他設備一樣，初步結果也遠未達到理論極限。
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。我們遇到的*個問題是，使用具有如此高的場強的材料制成的任何設備都有可能超越現有測試設備的極限。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頻率下測試設備，而更大的高壓設計是不允許的。
在這個早期的演示中，晶體管能夠承受230V的電壓，這是RF測試設備的極限。產生的平均電場為至少3.8兆伏/厘米，模擬顯示內部電場的峰值至少為5.3MV/cm。（我們永遠都不會在FET中觀察到完整的8MV/cm），這是*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。
在提出此結論之后，功率開關晶體管的就以驚人的速度發展了。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達到的高頻損耗值達到或超過了硅的理論極限。更重要的是，我們現在在未來幾年內有一條通向匹配或超越最新GaN值的清晰道路。
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照片：Novel Crystal Technology
與許多寬帶隙半導體不同，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備可能會變得相對*。
當我們在2015年測量電源開關的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備中允許更高的電場來實現的。但是那時，缺少了一些關鍵信息——還沒有關于材料中電子速度與電場的函數關系的公開數據。
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，而Johnson’s figure of merit (JFOM)總結了這些目標。JFOM說，RF晶體管的功率和頻率的乘積與半導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，我們要知道的關鍵是，在RF晶體管中，只有當載流子能夠在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的高臨界電場發揮了作用，因為您可以縮小該臨界距離，但仍提供一個強大的電場來將電子加速到其最大速度。
在AFRL，我們設法在2017年展示了*亞微米級的氧化鎵RF MOSFET。這些設備帶來了一些令人印象深刻的數字，盡管它們并不是GaN聯盟中的佼佼者。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Uttam Singisetti（University of Buffalo）的理論計算結果表明，氧化鎵的JFOM明顯優于氮化鎵。
自2017年*展示RF功能以來，RF Ga2O3技術首先在在Sriram Krishnamoorthy取得巨大進步，然后與俄亥俄州立大學的Siddharth Rajan團隊一起展示了新的和改進的摻雜技術。這些技術是從硅中借來的，因此在發生導電的材料片中產生的電阻非常低，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。取得這一結果后不久，Rajan和加州大學圣塔芭芭拉分校的研究人員，獨立地展示了與高電子遷移率晶體管（HEMT）類似的Ga2O3。D: agHEMT
這種類型的設備通常由砷化鎵或氮化鎵制成，對于手機和衛星電視接收器來說，射頻都是至關重要的。此類器件通過二維電子氣傳導，該二維電子氣在具有不同帶隙的兩個半導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，這與智能手機中的商業化砷化鋁鎵/砷化鎵HEMT技術完全相似。這些關鍵的突破為RF設備的垂直和橫向擴展提供了一條途徑。
盡管這些進展令人鼓舞，但Ga2O3不太可能在每種射頻應用中挑戰砷化鎵（GaAs）或GaN。作為一款基本*的開關，我們希望它在開關模式放大器（例如D類，E或F類）中具有優勢。在這些器件中，該器件的導通電阻非常低，并且可利用低電流，高擊穿電壓電壓特性實現非常高的效率。另一方面，要求較低阻抗和高電流的器件應用將青睞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？

首先要說的是，這種材料的致命弱點是其導熱性不好，甚至可以說特別糟糕。實際上，在考慮進行RF放大或功率切換的所有半導體中，這實際上是最糟糕的。氧化鎵的熱導率僅為金剛石的六分之一，是SiC（高性能RF GaN的襯底）的十分之一，而硅的則為五分之一。有趣的是，它與RF GaAs相當。低導熱率意味著晶體管中產生的熱量很可能會留在那里，并有可能極大地限制器件的壽命。
現在，請考慮以下問題：為了獲得材料對設備的熱導率的真實對比，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才能準確比較實際器件中的散熱問題。當您這樣做時，您發現帶隙大于硅的每個半導體在充分發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撲，實際上所有熱量都是在材料的頂部1µm中產生的，AFRL研究人員獲得了令人鼓舞的結果，該結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。這是當今在商業化砷化鎵異質結雙極晶體管中使用的技巧。因此，盡管在Ga2O3中存在熱挑戰，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電子而不是空穴。沒有人能用Ga2O3制成好的p型導體。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，材料帶結構的價帶部分的空穴傳導形狀不正確。因此，即使存在某種摻雜劑導致受體處于正確的能級，所產生的任何空穴也有望在能有助于傳導之前自陷。當理論和數據如此一致時，很難說有辦法解決這個缺點。
盡管這種弱點確實帶來了額外的挑戰，它也并不是一帆風順的。許多所謂的僅多數運營商的設備已經獲得商業成功。作為示例，您只需要看盡可能多的USB-C壁式充電器。
Ga2O3器件技術的研究階段才剛剛開始達到臨界質量，我們現在正在規劃快速開關，多千伏級功率晶體管和RF器件的應用空間。千伏級設備的新示范現在也經常出現。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的發展，我們認為我們將能夠實現以前在任何其他材料中都無法實現的設備拓撲。

當然，我們會在前進過程中打破破一些東西（主要是電介質）。但這就是破壞性技術的定義。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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