作者: Gregg H. Jessen

      在IEEE SPECTRUM中文版《科技縱覽》2002年5月刊中， 已故的萊斯特?F.伊斯曼（Lester F. East-man）和烏梅什?K. 米什拉（Umesh K.Mishra）談到了當(dāng)時功率半導(dǎo)體界的一項(xiàng)大膽技術(shù)：氮化鎵（GaN）。對于強(qiáng)大耐用的射頻放大器在當(dāng)時新興的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)以及電網(wǎng)功率切換應(yīng)用中的使用前景，他們表達(dá)了樂觀的看法。他們稱氮化鎵器件為“迄今為止最堅固耐用的晶體管”。
  伊斯曼和米什拉是對的。氮化鎵的寬帶隙（使束縛電子自由斷裂并有助于傳導(dǎo)的能量）和其他性質(zhì)讓我們能夠利用這種材料承受高電場的能力，制造性能空前的器件。   如今，氮化鎵是固態(tài)射頻功率應(yīng)用領(lǐng)域無可爭議的冠軍。它已經(jīng)在雷達(dá)和5G無線技術(shù)中得到了應(yīng)用，很快將在電動汽車的逆變器中普及。你甚至可以買到基于氮化鎵的USB壁式充電器，它們體積小且功率非常高。   不過，還有比它更好的東西嗎？有能讓射頻放大器變得更強(qiáng)大更高效的裝置嗎？有能讓電力電子設(shè)備體積變得更小，讓飛機(jī)和汽車上使用的電子設(shè)備更輕、更小的裝置嗎？我們能找到帶隙更大的導(dǎo)電材料嗎？   是的，我們可以。事實(shí)上，許多材料都有更大的帶隙，但量子力學(xué)的獨(dú)特性意味著，幾乎所有這些材料都不能用作半導(dǎo)體。不過，透明導(dǎo)電氧化物氧化鎵 （Ga₂O₃） 是一個特例。這種晶體的帶隙近5電子伏特，如果說氮化鎵（3.4eV）與它的差距為1英里，那么硅（1.1eV）與它的差距則好比一個馬拉松。金剛石和氮化鋁的帶隙更大，但它們不具備氧化鎵所具備的幸運(yùn)特性，氧化鎵有助于制造價格低廉但功能強(qiáng)大的器件。   一種材料僅僅有寬帶隙是不夠的。所有的電介質(zhì)和陶瓷都有寬帶隙，否則它們就不會被用作絕緣體了，而氧化鎵有一組獨(dú)特的特性，它可以作為功率切換和射頻電子器件的半導(dǎo)體從而發(fā)揮巨大作用。   它的特點(diǎn)之一是，通過摻雜的方法，可以在氧化鎵中加入電荷載流子，使其更具導(dǎo)電性。摻雜包括向晶體添加一定量的雜質(zhì)，以控制半導(dǎo)體中載流子的濃度。對于硅，可以使用離子注入法，然后退火處理，在晶體中摻雜磷（以添加自由電子）或硼（以減去自由電子），從而使電荷能夠自由移動。對于氧化鎵，可以用同樣的方法在晶體中摻雜硅來添加電子。如果在任何其他寬帶隙氧化物中這樣做，結(jié)果可能是破碎的晶體和晶格斑點(diǎn)，這樣的話電荷會被卡住。   氧化鎵能夠適應(yīng)通過“離子注入”標(biāo)準(zhǔn)工藝添加以及外延生長（沉積額外的晶體）過程中添加的摻雜劑，因此我們能夠借用各種各樣的既有商業(yè)光刻和加工技術(shù)。借助這些方法，精確定義幾十納米的晶體管尺寸和產(chǎn)生各種各樣的器件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得相對簡單。其他寬帶隙的半導(dǎo)體材料不具備這種難以置信的有用特性，甚至氮化鎵也不例外。   氧化鎵的另一個優(yōu)點(diǎn)是，實(shí)際上很容易根據(jù)需要制造氧化鎵晶體大晶圓。雖然氧化鎵晶體有幾種類型，但最穩(wěn)定的是β，其次是ε和α。其中，有關(guān)β-氧化鎵的綜合性質(zhì)的研究最多，這主要得益于日本筑波的日本國家材料科學(xué)研究所和柏林萊布尼茨晶體研究所的開拓性工作。β-氧化鎵特別有趣的一點(diǎn)是，它具備良好的熱穩(wěn)定性，因此可以使用大量的商業(yè)技術(shù)來制造，包括用于制造硅片的提拉法。此外，也可以使用“邊緣定義、薄膜饋電晶體生長”技術(shù)來生產(chǎn)β-氧化鎵晶圓，雜貨店結(jié)賬用的條形碼掃描儀上的藍(lán)寶石窗口就是這樣制造的。如今，甚至可以使用可高度擴(kuò)展的垂直坩堝下降（Bridgman-Stockbarger）技術(shù)生長晶體。    

這與其他寬帶隙半導(dǎo)體的區(qū)別，怎么夸張都不過分。除碳化硅（SiC）以外，其他所有新興寬帶隙半導(dǎo)體根本沒有大尺寸半導(dǎo)體基底可供生長大晶體。這意味著它們必須生長在另一種材料盤中，而這是有代價的。例如，氮化鎵通常依靠復(fù)雜的工藝在硅、碳化硅或藍(lán)寶石基底上生長。不過，這些基底的晶體結(jié)構(gòu)明顯不同于氮化鎵的晶體結(jié)構(gòu)，這種差異會造成基底和氮化鎵之間的“晶格失配”，從而產(chǎn)生大量缺陷。這些缺陷會給生產(chǎn)的設(shè)備帶來一系列問題。氧化鎵由于作為自己的基底，所以不存在不匹配的情況，也就沒有缺陷。日本埼玉的諾維晶科技術(shù)公司已經(jīng)開發(fā)出150毫米的β-氧化鎵晶圓。

       

日本國家信息與通信技術(shù)研究所（NICT，位于東京）的東脅正高（Masataka Higashiwaki）是[敏感詞]個發(fā)現(xiàn)β-氧化鎵在電源開關(guān)中的潛力的人。2012年，他的團(tuán)隊報告了[敏感詞]單晶β-氧化鎵晶體管，震驚了整個半導(dǎo)體器件界。這是一種名為“金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管”的器件。它有多好呢？擊穿電壓是功率晶體管的關(guān)鍵指標(biāo)之一，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。東脅研究的開創(chuàng)性晶體管的擊穿電壓大于250伏。相比之下，氮化鎵花了近20年的時間才達(dá)到這一水平。

在東脅的開創(chuàng)性研究中，他還介紹了由于使用高臨界電場強(qiáng)度的材料而大幅降低功率損耗的情況。電場強(qiáng)度以Ec表示，是氧化鎵真正的超能力。簡單地說，如果在兩個導(dǎo)體之間放置一種材料，把電壓調(diào)高，那么Ec就是該材料開始導(dǎo)電的電場，而且導(dǎo)電能力很強(qiáng)，有時會帶來災(zāi)難性后果。硅的臨界電場強(qiáng)度通常為每厘米幾百千伏，而氧化鎵的臨界電場強(qiáng)度為每厘米8兆伏。    

非常高的Ec對理想的功率開關(guān)晶體管而言至關(guān)重要。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，在沒有電阻的情況下導(dǎo)電；一直斷開，處于完全不導(dǎo)電的狀態(tài)。這兩種不可能的[敏感詞]意味著兩種截然不同的器件幾何結(jié)構(gòu)。對于關(guān)斷狀態(tài)，晶體管的源極和漏極之間需要有一個較厚的材料區(qū)域，以防止導(dǎo)通和阻止大電壓。對于導(dǎo)通狀態(tài)，則需要一個無限薄的區(qū)域，使之沒有電阻。

當(dāng)然，兩者不可兼得。材料的臨界電場強(qiáng)度決定了在關(guān)閉狀態(tài)下，這個區(qū)域到底能有多薄。   “巴利加優(yōu)值”是低頻功率開關(guān)半導(dǎo)體的關(guān)鍵指標(biāo)，它以IEEE榮譽(yù)勛章獲得者B.賈揚(yáng)特?巴利加（B.Jayant Baliga）的名字命名。本質(zhì)上，它表示的是器件的輸出在高電壓下對輸入信號細(xì)節(jié)的再現(xiàn)程度。對于在千赫茲范圍的頻率下作為開關(guān)工作的晶體管而言，這是一個非常重要的特性。這類器件多見于多千伏級變電站設(shè)備、醫(yī)學(xué)成像用的高能光子發(fā)生器以及電動汽車和工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器的功率逆變器中。   在這類應(yīng)用中，氧化鎵有一個天然優(yōu)勢。在這些頻率下，優(yōu)值與臨界電場強(qiáng)度的立方成正比。所以，Ec高意味著優(yōu)值好。數(shù)學(xué)運(yùn)算背后的事實(shí)是：這種開關(guān)大部分時間里要么處于完全接通的狀態(tài)，要么完全關(guān)閉，很少會在兩者之間切換。因此，大部分功率損耗僅僅來自設(shè)備開啟時的電流阻力。Ec值高，則可以使用更薄的器件，這意味著阻力更小。   東脅的研究傳達(dá)出的信息很簡單：可以使用強(qiáng)力高電場強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)低頻時損耗很少的高壓開關(guān)。其他團(tuán)隊很快就明白了這一點(diǎn)。2013年，研究人員研發(fā)了擊穿電壓為370伏的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）。2016年，當(dāng)時在NICT東脅團(tuán)隊工作的王文海（Man Hoi Wong，音）利用一種名為“場鍍”（field plating）的附加結(jié)構(gòu)將擊穿電壓提高到了750伏。在這些器件中，氧化鎵實(shí)現(xiàn)高工作電壓相對容易，這一成績相當(dāng)顯著；僅僅幾年，這種材料的研究就取得了長足進(jìn)步，而氮化鎵的研究則花了幾十年的時間。    

不過，在更快的開關(guān)電源應(yīng)用中，氧化鎵是否有用？Ec在這里也很重要，這可能會給氧化鎵帶來很大的優(yōu)勢。在更高的頻率下，比如100千赫茲到1兆赫，與接通或關(guān)閉狀態(tài)相比，器件花費(fèi)在切換上的時間將成比例地增加。開關(guān)過程中的損耗等于器件的電阻與開關(guān)切換時晶體管柵極上所需積聚電荷的乘積。從數(shù)學(xué)計算來看，這意味著損耗與臨界電場強(qiáng)度的平方成正比，而不是與立方成正比（就像低頻時一樣）。

從手機(jī)充電器這種簡單物件中，我們就可以看到更快的供電切換速度的好處。開關(guān)電源的工作原理是首先將墻上插頭的交流電壓進(jìn)行整流，然后將其斬波為高頻信號。變壓器將電壓降至所需水平，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元件，只有提高頻率才能使用更小的元件。如果需要更高的頻率，那么帶隙更寬和臨界電場更高的半導(dǎo)體有助于更有效地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，同時還能簡化散熱。   例如，一個1200伏的硅逆變器在20千赫的頻率下切換的功率約為3千瓦。在150千赫的頻率下切換時，相同功率的碳化硅逆變器可以在更高的溫度下在尺寸僅為1/3的封裝中工作?；谘趸壍念愃颇孀兤髂軌蛞越咏缀盏念l率在相同的高溫下工作，并且尺寸還可以再小一半（雖然需要尚未發(fā)明的磁性元件）。   因此，氧化鎵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，但這個臨界電場強(qiáng)度值到底是多少呢？直到2015年，尚無團(tuán)隊給出這種材料可實(shí)現(xiàn)場強(qiáng)的真實(shí)數(shù)字。和其他器件一樣，初步結(jié)果遠(yuǎn)未達(dá)到理論極限。   在俄亥俄州萊特帕特森空軍基地的美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）工作時，我和我的同事接受了這個挑戰(zhàn)。我們遇到的[敏感詞]個問題是，任何使用具有如此高場強(qiáng)的材料制成的器件，都有可能超過可用測試設(shè)備的極限。原則上，2微米的材料可以阻擋1.5千伏以上！因此，我們建造了一個簡單的MOSFET，縮小了它的幾何結(jié)構(gòu)，以適合更低的電壓；柵極和漏極之間的間隙（電場[敏感詞]的位置）只有600納米。這樣做，部分是為了更便捷地測量Ec的峰值，也因?yàn)槲覀兿Ｍ茉谏漕l頻率下測試器件（因?yàn)楦笮偷母邏涸O(shè)計不允許這樣做）。   在這個早期研究中，晶體管能夠承受230伏電壓，這是射頻測試設(shè)備的極限。由此產(chǎn)生的平均電場至少為每厘米3.8兆伏，而模擬表明內(nèi)部電場峰值至少為每厘米5.3兆伏。相較于完整的每厘米8兆伏，[敏感詞]次嘗試的時候就測到了如此大的一部分，對此我們感到很驚訝！這是首次通過試驗(yàn)證明氧化鎵的Ec值大于氮化鎵的理論值（約為每厘米3.3兆伏）。客觀來說，一個額定電壓為600伏的類似氮化鎵功率晶體管的柵極-漏極間隙通常為15到20微米，而我們的是600納米。   取得這個結(jié)果之后，功率開關(guān)晶體管的研究開始以驚人的速度發(fā)展。2017年，我們制造了擊穿電壓大于600伏的MOSFET。2018年初，采用不同幾何結(jié)構(gòu)的MOSFET實(shí)現(xiàn)了達(dá)到或超過硅的理論極限的高頻損耗值。此外，我們現(xiàn)在有了明確的方向，可以在未來幾年內(nèi)達(dá)到或超過[敏感詞]的氮化鎵值。              

2015年，在測量功率開關(guān)的Ec時，我們還推測，同樣地在更小的器件中允許更高的電場，氧化鎵可能會在射頻電路中取得類似成功。不過那時我們?nèi)鄙僖粋€關(guān)鍵信息，即還沒有關(guān)于材料中的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，電子速度尤其重要。對射頻技術(shù)來說，高功率輸出和高頻率是目標(biāo)，約翰遜優(yōu)值（JFOM）對此進(jìn)行了總結(jié)。約翰遜優(yōu)值表明，射頻晶體管的功率和頻率的乘積與半導(dǎo)體材料中載流子的[敏感詞]速度和Ec的乘積直接成正比。其中的關(guān)鍵在于，在射頻晶體管中，只有當(dāng)載流子能夠在射頻波形的極性轉(zhuǎn)換之前從源極一路到達(dá)漏極，才能實(shí)現(xiàn)放大。發(fā)生這種情況的[敏感詞]頻率稱為“統(tǒng)一電流增益頻率”（fT）。此處，氧化鎵的高臨界電場再次發(fā)揮作用，因?yàn)槟憧梢钥s小臨界距離，同時仍然提供強(qiáng)大的電場來加速電子使其達(dá)到[敏感詞]速度。   2017年，我們在美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)了[敏感詞]亞微米級的氧化鎵射頻MOSFET。這些器件一開始的數(shù)據(jù)就令人印象深刻，雖然這些數(shù)據(jù)與氮化鎵的數(shù)據(jù)不是一個級別。它們的統(tǒng)一電流增益頻率為3千兆赫，[敏感詞]振蕩頻率為13千兆赫；800兆赫時，輸出功率密度為每毫米230毫瓦。之后，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室還展示了1千兆赫時，脈沖射頻功率輸出密度超過每毫米500毫瓦的情況，[敏感詞]振蕩頻率接近20千兆赫。更令人鼓舞的是，大約在同一時期，布法羅大學(xué)的克里什內(nèi)杜?戈什（Krishnendu Ghosh）和烏塔姆?辛吉塞蒂（Uttam Singisetti）發(fā)表了理論計算結(jié)果，表明氧化鎵的JFOM明顯優(yōu)于氮化鎵。   自2017年首次展示其射頻性能以來，射頻氧化鎵技術(shù)取得的最顯著的進(jìn)步是斯里拉姆?里希納穆爾蒂（Sriram Krishnamoorthy）以及他與俄亥俄州立大學(xué)的希達(dá)思?拉詹（Siddharth Rajan）團(tuán)隊研發(fā)的新型摻雜技術(shù)和經(jīng)過改進(jìn)的摻雜技術(shù)。這些技術(shù)借鑒了硅技術(shù)，在使用這些技術(shù)生產(chǎn)的半導(dǎo)體中，發(fā)生導(dǎo)電的材料片中的電阻非常低，大約為每平方300歐姆（這就是正確的單位）。這和氮化鎵器件中的水平相當(dāng)。得到這一結(jié)果后不久，拉詹和加州大學(xué)圣芭芭拉分校的研究人員獨(dú)立研發(fā)了類似高電子遷移率晶體管（HEMT）的氧化鎵。   這類器件通常由砷化鎵（GaAs）或氮化鎵制成，是手機(jī)和衛(wèi)星電視接收器的重要射頻支柱。這類器件不是通過體半導(dǎo)體的摻雜溝道導(dǎo)電，而是通過在兩個帶隙不同的半導(dǎo)體之間的尖銳界面上形成的二維電子氣來導(dǎo)電。這種情況中的半導(dǎo)體是氧化鋁鎵和氧化鎵，與智能手機(jī)中的商用砷化鋁鎵/砷化鎵HEMT技術(shù)完全相似。這些關(guān)鍵突破有利于射頻器件的縱向和橫向擴(kuò)展。   盡管這些發(fā)展很有前景，但氧化鎵不太可能挑戰(zhàn)砷化鎵或氮化鎵在所有射頻應(yīng)用中的地位。了解到它本質(zhì)上是一款很好的開關(guān)后，我們希望它在開關(guān)模式放大器（如D類、E類，或F類）中具備優(yōu)勢。在這些放大器中，該器件運(yùn)行時的導(dǎo)通電阻非常低，并且可以利用低電流、高擊穿電壓特性來實(shí)現(xiàn)非常高的效率。另一方面，要求低阻抗和高電流的器件應(yīng)用將青睞氮化鎵，主要是因?yàn)槠漭d流子遷移率和載流子密度較高。              

那么，氧化鎵有什么缺點(diǎn)？這種材料的致命弱點(diǎn)在于它的導(dǎo)熱性不佳。事實(shí)上，在所有可用于射頻放大或功率切換的半導(dǎo)體中，它的導(dǎo)熱性最差。氧化鎵的熱導(dǎo)率只有金剛石的1/60，碳化硅（高性能射頻氮化鎵的基底）的1/10，約為硅的1/5。（有趣的是，它可以媲美主要射頻材料砷化鎵。）低熱導(dǎo)率意味著晶體管中產(chǎn)生的熱量可能會停留，有可能極大地限制器件的壽命。

  不過，在放 棄它之前，需要考慮以下問題： 由于材料會對器件產(chǎn)生影響，因此要得到有關(guān)其熱導(dǎo)率的真實(shí)同類比較結(jié)果，我們需要將它標(biāo)準(zhǔn)化為材料處理功率的能力。 換言之，要除以Ec才能準(zhǔn)確比較實(shí)際器件中的預(yù)期熱問題。 由此我們會發(fā)現(xiàn)，每種帶隙比硅大的半導(dǎo)體（甚至是金剛石）在充分發(fā)揮其潛能時，都有散熱問題。 雖然這一事實(shí)對氧化鎵而言于事無補(bǔ)，但它能推動我們努力尋找更好的散熱方法。
   例如，日本國家信息與通信技術(shù)研究所東京實(shí)驗(yàn)室的研究人員將p型多晶碳化硅粘合到了薄約10微米的氧化鎵晶圓的背面，大大提高了器件的熱阻。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)，在某些器件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，幾乎所有的熱量都是在材料頂部1微米處產(chǎn)生的，因此他們模擬了接觸電極和使用介質(zhì)填料將熱量分流到散熱器的效果，并取得了較好的結(jié)果。這也是目前商用砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極晶體管中使用的辦法。因此，盡管氧化鎵存在熱量方面的挑戰(zhàn)，但聰明的工程設(shè)計能夠克服該問題。    

另一個更基本的問題是，我們只能讓氧化鎵傳導(dǎo)電子而不能實(shí)現(xiàn)空穴導(dǎo)電。從來沒有人能用氧化鎵制造良好的p 型導(dǎo)體。此外，令人沮喪的是，這種材料的基本電子特性使其在這方面希望渺茫。特別是，這種材料的能帶結(jié)構(gòu)的價帶部分不具有空穴傳導(dǎo)的形狀。因此，即使有一種摻雜劑能使受體處于正確能級，所產(chǎn)生的空穴也會在它幫助傳導(dǎo)之前困住自己。理論和數(shù)據(jù)如此一致時，很難找到辦法解決這個問題。

雖然這一弱點(diǎn)確實(shí)帶來了更多挑戰(zhàn)，但它并非阻礙。許多所謂的僅限于大多數(shù)運(yùn)營商的設(shè)備也取得了商業(yè)成功，比如USB-C壁式充電器。   氧化鎵器件技術(shù)的研究階段剛剛開始達(dá)到臨界規(guī)模，我們正在規(guī)劃快速開關(guān)、多千伏級功率晶體管和射頻器件的應(yīng)用空間。如今，經(jīng)常有新的千伏級器件被研發(fā)出來。幾十納米臨界尺寸的射頻晶體管即將問世。我非常希望隨著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，我們能夠?qū)崿F(xiàn)以前在任何其他材料中都無法實(shí)現(xiàn)的器件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

當(dāng)然，在發(fā)展的道路上我們會打破一些東西（主要是電介質(zhì)），但這就是顛覆性技術(shù)的定義。我們用已知的東西來換取潛在的性能，而目前，氧化鎵的性能潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其問題。

免責(zé)聲明：本文轉(zhuǎn)載自“EETOP”，本文僅代表作者個人觀點(diǎn)，不代表薩科微及行業(yè)觀點(diǎn)，只為轉(zhuǎn)載與分享，支持保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，轉(zhuǎn)載請注明原出處及作者，如有侵權(quán)請聯(lián)系我們刪除。

公司電話：+86-0755-83044319
傳真/FAX：+86-0755-83975897
郵箱：1615456225@qq.com
QQ：3518641314 李經(jīng)理  

QQ：332496225   丘經(jīng)理

地址：深圳市龍華新區(qū)民治大道1079號展滔科技大廈C座809室