超寬帶隙半導(dǎo)體有望成為大功率晶體管

高效的超高壓功率轉(zhuǎn)換設(shè)備(電壓>20kv)需要比硅的能隙大得多的半導(dǎo)體。寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體碳化硅(SiC)已經(jīng)成熟成為電力電子的商業(yè)技術(shù)平臺(tái)，但超寬帶隙(UWBG)(帶隙>4.5eV)半導(dǎo)體器件有可能實(shí)現(xiàn)更高電壓的電子設(shè)備。候選UWBG半導(dǎo)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(dòng)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(zhǎng)方面的突破，導(dǎo)致了2012年第一個(gè)Ga2O3晶體管的演示。Ga2O3有希望成為電力電子平臺(tái)，但在未來十年將這種UWBG半導(dǎo)體投入商用存在挑戰(zhàn)。

如果超高壓電子技術(shù)滲透到下一代電網(wǎng)控制和保護(hù)、超快電動(dòng)汽車充電器或具有尺寸、重量和功率優(yōu)勢(shì)的高效負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用領(lǐng)域，那么吸引了許多行業(yè)注意力的電氣化進(jìn)程可能會(huì)被顛覆性地加速。雖然碳化硅器件的成本比傳統(tǒng)的硅電力電子產(chǎn)品高，但在系統(tǒng)級(jí)，由于電路要求更簡(jiǎn)單，預(yù)計(jì)這些成本將被節(jié)省的費(fèi)用所抵消。

如果出現(xiàn)可行的UWBG技術(shù)平臺(tái)，則可以實(shí)現(xiàn)超過20kV的非常高的電壓和高開關(guān)速度的功率轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率提高到10khz以上。UWBG半導(dǎo)體本質(zhì)上需要更薄的器件層，從而減少傳導(dǎo)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(shí)間也將減少開關(guān)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(shè)備提供平臺(tái)。這種高速功率晶體管在電力電子行業(yè)將是破壞性的，因?yàn)橄到y(tǒng)體積與頻率成反比。

在六個(gè)結(jié)晶Ga2O3相中，低對(duì)稱單斜β- Ga2O3由于其在高溫(>650°C)下的熱穩(wěn)定性，在其發(fā)展周期中走得最遠(yuǎn)，下面的討論涉及到該相。與其他WBG或UWBG半導(dǎo)體不同的是，最初為硅基片開發(fā)的熔體生長(zhǎng)方法已經(jīng)被用于商業(yè)化Ga2O3襯底。β- Ga2O3晶圓已達(dá)到4英寸(100毫米)的商業(yè)里程碑，并有望在2027年達(dá)到6英寸(150毫米)的尺寸。與此同時(shí)，高質(zhì)量外延的基礎(chǔ)設(shè)施正在擴(kuò)大，以跟上不斷增長(zhǎng)的Ga2O3基片尺寸。Ga2O3外延生長(zhǎng)的方法，如化學(xué)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(chǎn)最高質(zhì)量的材料。

盡管UWBG技術(shù)的基本基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建模塊已經(jīng)進(jìn)入了開發(fā)周期，但研究人員仍在積極探索UWBG設(shè)備架構(gòu)。垂直場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，如FinFET(見圖左)，理論上可以阻擋非常高的場(chǎng)，但更容易受到外延層擴(kuò)展缺陷的影響。橫向晶體管，如異質(zhì)結(jié)FET(見圖右)，由于其更小的電容和更短的傳輸時(shí)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(jìn)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(zhì))的存在困擾著所有UWBG半導(dǎo)體，因?yàn)樵絹碓綄挼哪芟锻ǔ?huì)使外部雜質(zhì)駐留在離傳導(dǎo)帶(或價(jià)帶)更遠(yuǎn)的地方。然而，對(duì)于Ga2O3來說，硅是一種極好的外部淺供體，它能夠?qū)崿F(xiàn)從1014 cm-3以下到1020cm-3以上的廣泛可控電導(dǎo)率。可控的n型電導(dǎo)率甚至延伸到三元合金(Al xGa1-x) 2O3，它有更寬的帶隙，找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城也可根據(jù)相和Al濃度調(diào)節(jié)。此外，CVD生長(zhǎng)的同質(zhì)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(bǔ)償)的超低水平背景使同質(zhì)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(diǎn)缺陷。

然而，要在這種純度水平上生長(zhǎng)非常厚(>30 μm)的外延β-Ga2O3是非常具有挑戰(zhàn)性的，它的發(fā)展需要與SiC在超高功率開關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)。在高壓Ga2O3器件商業(yè)化之前，對(duì)Ga2O3外延缺陷的理解必須在未來幾年內(nèi)取得進(jìn)展。點(diǎn)缺陷，如空位及其相關(guān)復(fù)合體(如空位-間質(zhì)缺陷)以及厚外延層中的擴(kuò)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(gè)豐富的研究領(lǐng)域，這也將使任何希望用有用的設(shè)備尺寸打破20kv障礙的Ga2O3電力電子商業(yè)企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。

對(duì)于電力電子來說，開發(fā)p型(空穴載流子)材料是必要的，因?yàn)镚a2O3中的空穴形成局域極化子，導(dǎo)致自俘獲現(xiàn)象，限制了它們的傳導(dǎo)。無論器件幾何形狀如何，Ga2O3中p型導(dǎo)電性的缺失對(duì)高電場(chǎng)管理提出了挑戰(zhàn)，任何實(shí)際的解決方案都需要對(duì)先前開發(fā)的半導(dǎo)體所沒有面臨的異質(zhì)集成進(jìn)行創(chuàng)新。

不同于p型半導(dǎo)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(jīng)表明，通過將異質(zhì)結(jié)與這些器件中的場(chǎng)管理和電荷平衡相結(jié)合，可以潛在地管理Ga2O3中p型電導(dǎo)率的缺乏。如果開發(fā)出與p型WBG半導(dǎo)體(如GaN或AlN)的穩(wěn)健異構(gòu)集成，則Ga2O3作為電力電子材料的前景將大大增強(qiáng)。這樣的發(fā)展可能導(dǎo)致可靠的結(jié)勢(shì)壘肖特基整流器商業(yè)化，就像SiC的情況一樣。

在實(shí)際高壓電子器件中使用UWBG材料的關(guān)鍵要求是在表面上有效的電場(chǎng)終止。氮深受主在使Ga2O3幾乎絕緣和產(chǎn)生可減小電場(chǎng)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(dǎo)電和絕緣表面區(qū)域。干蝕刻是制造這種圖案的一個(gè)常見的加工步驟，它會(huì)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(shí)現(xiàn)，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(xué)和機(jī)械損傷，因?yàn)榈入x子蝕刻總是會(huì)在蝕刻表面引入缺陷。在開發(fā)Ga2O3專用制造工藝的同時(shí)，開發(fā)高質(zhì)量厚外延層，可以在下一個(gè)十年中加速Ga2O3器件的商業(yè)化，至少可以達(dá)到雙端器件（如二極管）的規(guī)模。

必須仔細(xì)考慮Ga2O3極低的導(dǎo)熱系數(shù)(11到27 W m-1K-1)。Ga2O3晶體管的冷卻甚至比GaN晶體管更關(guān)鍵，后者也有自熱效應(yīng)。盡管Ga2O3器件在運(yùn)行過程中輸出的功率與GaN器件相比仍然要低一個(gè)數(shù)量級(jí)，但為GaN開發(fā)的頂部和底部側(cè)冷卻方法可以應(yīng)用于Ga2O3。事實(shí)上，用AlN或納米晶金剛石覆蓋橫向晶體管可以實(shí)現(xiàn)Ga2O3 5-6w mm-1的直流輸出功率，這與20世紀(jì)90年代GaN高電子遷移率晶體管的早期結(jié)果類似。具有高導(dǎo)熱性的異質(zhì)集成WBG p型半導(dǎo)體，如SiC, GaN，甚至金剛石，尤其適用于p-n和結(jié)勢(shì)壘肖特基整流器。

回顧WBG半導(dǎo)體的早期商業(yè)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(xù)創(chuàng)新的科研努力所驅(qū)動(dòng)的。解決碳化硅微管和基面位錯(cuò)缺陷問題依賴于先進(jìn)的表征技術(shù)，如紫外光致發(fā)光成像和光譜學(xué)。材料科學(xué)家們繼續(xù)發(fā)展他們對(duì)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(diǎn)缺陷和擴(kuò)展缺陷也需要類似的努力。政府的資金對(duì)于早期支持這些努力是至關(guān)重要的。美國海軍研究辦公室于2017年啟動(dòng)了小型企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)讓項(xiàng)目，旨在啟動(dòng)β-Ga2O3 CVD的開發(fā)，該項(xiàng)目在項(xiàng)目結(jié)束前實(shí)現(xiàn)了該能力的商業(yè)化，凸顯了該新技術(shù)的重要性。最近頒布的美國芯片和科學(xué)法案不僅將為芯片制造設(shè)施提供資金，還將向美國商務(wù)部和美國國防部提供130億美元，用于半導(dǎo)體和微電子研究和開發(fā)。這些投資將在未來幾年刺激UWBG半導(dǎo)體和相關(guān)材料研究的額外資金，期望異構(gòu)集成半導(dǎo)體模塊的多樣化組合將克服使用特定半導(dǎo)體制造的芯片的缺點(diǎn)。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(huì)在系統(tǒng)級(jí)別上發(fā)揮作用。磁性材料的進(jìn)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。