氧化镓在电子器件应用的现状和潜在发展

氧化镓

近日，佛罗里达大学、美国海军研究实验室（NRL）与韩国大学对氧化镓（Ga2O3）在电子器件应用的现状和潜在发展完成一篇全面的综述。[S. J. Pearton et al, J. Appl. Phys., vol124, p220901, 2018]

尽管Ga2O3半导体材料具有良好的射频性能以及高功率等许多优势（如图1所示），但同时还具有很多需要克服的障碍。作者认为，Ga2O3电子器件很可能对现有的硅（Si），碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）技术进行技术互补，比如Ga2O3在低频，高压领域（如AC-DC转换）会有良好的应用。

图1：显示了对功率半导体器件重要的关键材料（Si, SiC, GaN, Ga2O3）特性。

氧化镓是宽带隙半导体（~4.8eV，相比之下GaN的~3.4eV，SiC的3.3eV，Si的1.1eV），可以以可控的方式进行n型（电子）掺杂。宽带隙与高临界场相关联，使得其能够在击穿发生之前拥有更高的电压和功率密度。而对于Ga2O3来说，目前其击穿电压可高达3kV。

Ga2O3另外一个优势在于它可以以较低的成本便可获得。这是由于我们可利用熔融氧化镓生长来生产出稳定的β多型体的晶体材料。它是硅熔体的晶体生长，可为主流电子产品提供高质量的基板。

图2：在电流和电压需求方面Si，SiC，GaN和Ga2O3功率电子器件的应用

该团队强调“功率调节系统，包括航空电子设备和电动船的脉冲功率，重型电动机的固态驱动器，以及先进的电源管理和控制电子设备”作为潜在应用（如图2所示）。

氧化镓应用范围从实现可用到可靠的组件，最后再到可插入可持续市场基础设施等各个方面。但Ga2O3还是存在一个重要的直接缺点：它的导热率很低（10-30 W/m-K，对比SiC 330 W/m-K，GaN 130 W/m-K和Si 130 W/m-K），这在高功率密度应用中尤为凸显。其中热管理的方式包括将器件层转移到另一层热传导更多的基板上；将基板减薄；添加散热器；顶部热提取或使用风扇或液体流动的主动冷却等。

Ga2O3存在的另一个缺点就是缺乏p型掺杂机制。从理论上看，这可能会是一个影响其应用的根本问题。有文章曾指出：“由Ga2O3能带结构的第一性原理计算可以预期，由于它的低迁移率而在Ga2O3中发生空穴自陷，这会降低有效的p型导电性。理论表明，所有的受体掺杂剂都会产生深的受主能级，而不能产生p型导电性。”目前仅在高温下才有任何p型电导率的报道，这可能与天然的Ga空位缺陷有关。

文章作者提出，建议将n-Ga2O3与其他具有p型导电性的半导体材料结合起来是可能的。 在这一方面，碘化铜，氧化铜和氧化镍是很好的选择。

该团队表示，目前离散功率器件的市场容量约为15-22亿。与从SiC概念到SiC器件商业化的超过35年的发展类比，他们提出属于Ga2O3市场的发展需要多长发展时间？

有文章评论道：“技术的发展，关键是要军事电子开发机构的持续关注。电力电子设备领域的历史表明，新技术大约每10-12年出现一次革新。然而，由于各种原因，旧技术仍会长期存在于市场中。Ga2O3可以补充SiC和GaN的电力电子器件市场，但却不会取代它们。“

该综述最后认为需要逐步提升Ga2O3在七个方面的发展：外延生长；欧姆接触；热稳定肖特基接触；增强模式（即常关）晶体管操作；动态导通电阻降低；工艺集成和以及过被动和主动冷却进行热管理。