超寬帶隙半導體有望成為大功率晶體管

高效的超高壓功率轉換設備(電壓>20kv)需要比硅的能隙大得多的半導體。寬帶隙(WBG)半導體碳化硅(SiC)已經成熟成為電力電子的商業技術平臺，但超寬帶隙(UWBG)(帶隙>4.5eV)半導體器件有可能實現更高電壓的電子設備。候選UWBG半導體包括氮化鋁(AlN)、立方氮化硼和金剛石，但在過去十年中，研究活動增加最多的可能是氧化鎵(Ga2O3)。這種興趣的部分原因是由于其4.85 eV的大帶隙和晶體生長方面的突破，導致了2012年第一個Ga2O3晶體管的演示。Ga2O3有希望成為電力電子平臺，但在未來十年將這種UWBG半導體投入商用存在挑戰。

如果超高壓電子技術滲透到下一代電網控制和保護、超快電動汽車充電器或具有尺寸、重量和功率優勢的高效負載點轉換器等應用領域，那么吸引了許多行業注意力的電氣化進程可能會被顛覆性地加速。雖然碳化硅器件的成本比傳統的硅電力電子產品高，但在系統級，由于電路要求更簡單，預計這些成本將被節省的費用所抵消。

如果出現可行的UWBG技術平臺，則可以實現超過20kV的非常高的電壓和高開關速度的功率轉換。即使在10kv下，也很難在不犧牲電路效率的情況下將功率轉換器的開關頻率提高到10khz以上。UWBG半導體本質上需要更薄的器件層，從而減少傳導損耗(與通道電阻成正比)。通過較小的UWBG器件減少的載波傳輸時間也將減少開關損耗(與電容成正比)，并在不犧牲輸出功率的情況下為高速電子設備提供平臺。這種高速功率晶體管在電力電子行業將是破壞性的，因為系統體積與頻率成反比。

在六個結晶Ga2O3相中，低對稱單斜β- Ga2O3由于其在高溫(>650°C)下的熱穩定性，在其發展周期中走得最遠，下面的討論涉及到該相。與其他WBG或UWBG半導體不同的是，最初為硅基片開發的熔體生長方法已經被用于商業化Ga2O3襯底。β- Ga2O3晶圓已達到4英寸(100毫米)的商業里程碑，并有望在2027年達到6英寸(150毫米)的尺寸。與此同時，高質量外延的基礎設施正在擴大，以跟上不斷增長的Ga2O3基片尺寸。Ga2O3外延生長的方法，如化學氣相沉積(CVD)、分子束外延和鹵化物氣相外延等，正在被廣泛研究，目的是生產最高質量的材料。

盡管UWBG技術的基本基礎設施構建模塊已經進入了開發周期，但研究人員仍在積極探索UWBG設備架構。垂直場效應晶體管(FET)，如FinFET(見圖左)，理論上可以阻擋非常高的場，但更容易受到外延層擴展缺陷的影響。橫向晶體管，如異質結FET(見圖右)，由于其更小的電容和更短的傳輸時間，有可能更快更有效地切換，而且它還可以使用Ga2O3三元合金，在這種情況下是β-(Al xGa1-x) 2O3，以進一步提高功率性能。

氧化鎵(β-Ga2O3)器件

淺層能量供體和受體(帶電雜質)的存在困擾著所有UWBG半導體，因為越來越寬的能隙通常會使外部雜質駐留在離傳導帶(或價帶)更遠的地方。然而，對于Ga2O3來說，硅是一種極好的外部淺供體，它能夠實現從1014 cm-3以下到1020cm-3以上的廣泛可控電導率?？煽氐膎型電導率甚至延伸到三元合金(Al xGa1-x) 2O3，它有更寬的帶隙，也可根據相和Al濃度調節。此外，CVD生長的同質外延β-Ga2O3的純度只有硅超過。最近，通過無意受體(2×1013cm-3，~0.06%的給體補償)的超低水平背景使同質外延CVD Ga2O3具有極高的低溫遷移率(23000 cm2 V-1 s-1)，這可能源于晶格中無意形成的點缺陷。

然而，要在這種純度水平上生長非常厚(>30 μm)的外延β-Ga2O3是非常具有挑戰性的，它的發展需要與SiC在超高功率開關應用領域競爭。在高壓Ga2O3器件商業化之前，對Ga2O3外延缺陷的理解必須在未來幾年內取得進展。點缺陷，如空位及其相關復合體(如空位-間質缺陷)以及厚外延層中的擴展缺陷，目前抑制Ga2O3器件尺寸。總的來說，Ga2O3中的缺陷表征有望成為一個豐富的研究領域，這也將使任何希望用有用的設備尺寸打破20kv障礙的Ga2O3電力電子商業企業能夠實現這一目標。

對于電力電子來說，開發p型(空穴載流子)材料是必要的，因為Ga2O3中的空穴形成局域極化子，導致自俘獲現象，限制了它們的傳導。無論器件幾何形狀如何，Ga2O3中p型導電性的缺失對高電場管理提出了挑戰，任何實際的解決方案都需要對先前開發的半導體所沒有面臨的異質集成進行創新。

不同于p型半導體，如SiC、氮化鎵(GaN)或金剛石，WBG p型氧化鎳(NiO)可以在室溫下濺射，因此有利于與Ga2O3器件集成。最近的研究，如Zhang等人演示的8 kv NiO/Ga2O3 p-n二極管，已經表明，通過將異質結與這些器件中的場管理和電荷平衡相結合，可以潛在地管理Ga2O3中p型電導率的缺乏。如果開發出與p型WBG半導體(如GaN或AlN)的穩健異構集成，則Ga2O3作為電力電子材料的前景將大大增強。這樣的發展可能導致可靠的結勢壘肖特基整流器商業化，就像SiC的情況一樣。

在實際高壓電子器件中使用UWBG材料的關鍵要求是在表面上有效的電場終止。氮深受主在使Ga2O3幾乎絕緣和產生可減小電場的有效介電層方面是有效的。選擇性離子注入可以在器件制造過程中形成導電和絕緣表面區域。干蝕刻是制造這種圖案的一個常見的加工步驟，它會引入影響器件可靠性的表面缺陷。如果圖案可以完全通過離子注入來實現，那么干蝕刻可能完全被消除。與其他UWBG材料不同的是，Ga2O3甚至可以在磷酸中濕蝕刻，并使用氣相Ga蝕刻，這兩種方法都可以消除等離子蝕刻帶來的化學和機械損傷，因為等離子蝕刻總是會在蝕刻表面引入缺陷。在開發Ga2O3專用制造工藝的同時，開發高質量厚外延層，可以在下一個十年中加速Ga2O3器件的商業化，至少可以達到雙端器件（如二極管）的規模。

必須仔細考慮Ga2O3極低的導熱系數(11到27 W m-1K-1)。Ga2O3晶體管的冷卻甚至比GaN晶體管更關鍵，后者也有自熱效應。盡管Ga2O3器件在運行過程中輸出的功率與GaN器件相比仍然要低一個數量級，但為GaN開發的頂部和底部側冷卻方法可以應用于Ga2O3。事實上，用AlN或納米晶金剛石覆蓋橫向晶體管可以實現Ga2O3 5-6w mm-1的直流輸出功率，這與20世紀90年代GaN高電子遷移率晶體管的早期結果類似。具有高導熱性的異質集成WBG p型半導體，如SiC, GaN，甚至金剛石，尤其適用于p-n和結勢壘肖特基整流器。

回顧WBG半導體的早期商業化努力，SiC的成功在一定程度上是由大量的政府投資和持續創新的科研努力所驅動的。解決碳化硅微管和基面位錯缺陷問題依賴于先進的表征技術，如紫外光致發光成像和光譜學。材料科學家們繼續發展他們對直徑更大的SiC晶圓缺陷的理解。

在厚(>30 μm)Ga2O3外延層中理解和控制點缺陷和擴展缺陷也需要類似的努力。政府的資金對于早期支持這些努力是至關重要的。美國海軍研究辦公室于2017年啟動了小型企業技術轉讓項目，旨在啟動β-Ga2O3 CVD的開發，該項目在項目結束前實現了該能力的商業化，凸顯了該新技術的重要性。最近頒布的美國芯片和科學法案不僅將為芯片制造設施提供資金，還將向美國商務部和美國國防部提供130億美元，用于半導體和微電子研究和開發。這些投資將在未來幾年刺激UWBG半導體和相關材料研究的額外資金，期望異構集成半導體模塊的多樣化組合將克服使用特定半導體制造的芯片的缺點。此外，只有在無源器件能夠跟上的情況下，更高頻率的器件才會在系統級別上發揮作用。磁性材料的進步也有助于防止電感器和變壓器等部件在更高頻率下變得太過損耗。

審核編輯：湯梓紅