氧化鎵
近日,佛羅里達(dá)大學(xué)、美國海軍研究實驗室(NRL)與韓國大學(xué)對氧化鎵(Ga2O3)在電子器件應(yīng)用的現(xiàn)狀和潛在發(fā)展完成一篇全面的綜述。[S. J. Pearton et al, J. Appl. Phys., vol124, p220901, 2018]
盡管Ga2O3半導(dǎo)體材料具有良好的射頻性能以及高功率等許多優(yōu)勢(如圖1所示),但同時還具有很多需要克服的障礙。作者認(rèn)為,Ga2O3電子器件很可能對現(xiàn)有的硅(Si),碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)技術(shù)進(jìn)行技術(shù)互補,比如Ga2O3在低頻,高壓領(lǐng)域(如AC-DC轉(zhuǎn)換)會有良好的應(yīng)用。
圖1:顯示了對功率半導(dǎo)體器件重要的關(guān)鍵材料(Si, SiC, GaN, Ga2O3)特性。
氧化鎵是寬帶隙半導(dǎo)體(~4.8eV,相比之下GaN的~3.4eV,SiC的3.3eV,Si的1.1eV),可以以可控的方式進(jìn)行n型(電子)摻雜。寬帶隙與高臨界場相關(guān)聯(lián),使得其能夠在擊穿發(fā)生之前擁有更高的電壓和功率密度。而對于Ga2O3來說,目前其擊穿電壓可高達(dá)3kV。
Ga2O3另外一個優(yōu)勢在于它可以以較低的成本便可獲得。這是由于我們可利用熔融氧化鎵生長來生產(chǎn)出穩(wěn)定的β多型體的晶體材料。它是硅熔體的晶體生長,可為主流電子產(chǎn)品提供高質(zhì)量的基板。
圖2:在電流和電壓需求方面Si,SiC,GaN和Ga2O3功率電子器件的應(yīng)用
該團隊強調(diào)“功率調(diào)節(jié)系統(tǒng),包括航空電子設(shè)備和電動船的脈沖功率,重型電動機的固態(tài)驅(qū)動器,以及先進(jìn)的電源管理和控制電子設(shè)備”作為潛在應(yīng)用(如圖2所示)。
氧化鎵應(yīng)用范圍從實現(xiàn)可用到可靠的組件,最后再到可插入可持續(xù)市場基礎(chǔ)設(shè)施等各個方面。但Ga2O3還是存在一個重要的直接缺點:它的導(dǎo)熱率很低(10-30 W/m-K,對比SiC 330 W/m-K,GaN 130 W/m-K和Si 130 W/m-K),這在高功率密度應(yīng)用中尤為凸顯。其中熱管理的方式包括將器件層轉(zhuǎn)移到另一層熱傳導(dǎo)更多的基板上;將基板減薄;添加散熱器;頂部熱提取或使用風(fēng)扇或液體流動的主動冷卻等。
Ga2O3存在的另一個缺點就是缺乏p型摻雜機制。從理論上看,這可能會是一個影響其應(yīng)用的根本問題。有文章曾指出:“由Ga2O3能帶結(jié)構(gòu)的第一性原理計算可以預(yù)期,由于它的低遷移率而在Ga2O3中發(fā)生空穴自陷,這會降低有效的p型導(dǎo)電性。理論表明,所有的受體摻雜劑都會產(chǎn)生深的受主能級,而不能產(chǎn)生p型導(dǎo)電性。”目前僅在高溫下才有任何p型電導(dǎo)率的報道,這可能與天然的Ga空位缺陷有關(guān)。
文章作者提出,建議將n-Ga2O3與其他具有p型導(dǎo)電性的半導(dǎo)體材料結(jié)合起來是可能的。 在這一方面,碘化銅,氧化銅和氧化鎳是很好的選擇。
該團隊表示,目前離散功率器件的市場容量約為15-22億。與從SiC概念到SiC器件商業(yè)化的超過35年的發(fā)展類比,他們提出屬于Ga2O3市場的發(fā)展需要多長發(fā)展時間?
有文章評論道:“技術(shù)的發(fā)展,關(guān)鍵是要軍事電子開發(fā)機構(gòu)的持續(xù)關(guān)注。電力電子設(shè)備領(lǐng)域的歷史表明,新技術(shù)大約每10-12年出現(xiàn)一次革新。然而,由于各種原因,舊技術(shù)仍會長期存在于市場中。Ga2O3可以補充SiC和GaN的電力電子器件市場,但卻不會取代它們。“
該綜述最后認(rèn)為需要逐步提升Ga2O3在七個方面的發(fā)展:外延生長;歐姆接觸;熱穩(wěn)定肖特基接觸;增強模式(即常關(guān))晶體管操作;動態(tài)導(dǎo)通電阻降低;工藝集成和以及過被動和主動冷卻進(jìn)行熱管理。
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原文標(biāo)題:氧化鎵在高壓和大功率電子產(chǎn)品上面的應(yīng)用前景
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