在所有其他參數(shù)相同的情況下，對(duì)于電子應(yīng)用，寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體優(yōu)于窄帶半導(dǎo)體(如硅)，因?yàn)閷?dǎo)帶和價(jià)帶之間的大能量分離允許這些器件在高溫和較高電壓下工作。例如，與行業(yè)巨頭硅1.1eV的相對(duì)窄帶隙相比，氮化鎵(GaN)的帶隙為3.4eV。

帶隙測(cè)量將電子推入導(dǎo)電狀態(tài)需要多少能量；更大的帶隙使材料能夠承受更強(qiáng)的電場(chǎng)，因此與由帶隙較低的材料組成的部件相比，組件可以更薄(對(duì)于給定的電壓)、更輕、處理更多的功率。

具有較大帶隙的半導(dǎo)體已經(jīng)被開(kāi)發(fā)用于硅不能提供足夠功率密度以獲得必要結(jié)果的應(yīng)用。尤其是碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)在功率開(kāi)關(guān)和/或功率放大器應(yīng)用方面取得了巨大進(jìn)步。除了這些公認(rèn)的市場(chǎng)，用于自動(dòng)駕駛汽車的激光雷達(dá)傳感器和用于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制是其他新興領(lǐng)域。SiC MOSFETs在手機(jī)應(yīng)用中也很常見(jiàn)，GaN功率晶體管在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源等600 V細(xì)分市場(chǎng)也有應(yīng)用。

現(xiàn)在，寬帶隙半導(dǎo)體在市場(chǎng)上的可用性和性能已經(jīng)確定但是，就在碳化硅和氮化鎵站穩(wěn)腳跟的時(shí)候，另一種帶隙更大的半導(dǎo)體出現(xiàn)了。寬帶隙半導(dǎo)體氧化鎵(Ga2O3)有望成為肖特基勢(shì)壘二極管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管等功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的下一代器件。由寬帶隙半導(dǎo)體制成的肖特基整流器具有快速的開(kāi)關(guān)速度，對(duì)于提高電機(jī)控制器和電源的效率以及低正向壓降和高溫可操作性非常重要。

Ga2O3的帶隙是4.4至4.9電子伏，取決于晶體結(jié)構(gòu)，這代表著氮化鎵和碳化硅的主要增長(zhǎng)。當(dāng)然，還有其他帶隙更寬的半導(dǎo)體，如氮化鋁(AlN)和金剛石，但到目前為止，這些只是學(xué)術(shù)界感興趣的。

預(yù)計(jì)氧化鎵在高功率和高頻器件中特別有用。與其他半導(dǎo)體不同，它也可以直接從熔融狀態(tài)生產(chǎn)，從而能夠大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量的晶體。

由于Ga2O3作為高擊穿電壓器件應(yīng)用的主要候選物的潛力，對(duì)Ga2O 3的興趣在過(guò)去幾年中迅速增長(zhǎng)。它在高功率開(kāi)關(guān)中的應(yīng)用由大約8 MV/cm的高臨界場(chǎng)強(qiáng)支持。像氮化鎵一樣，Ga2O3具有比硅更高的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度，其更高的電子遷移率使得器件在給定的導(dǎo)通電阻和擊穿電壓下具有更小的尺寸。這允許設(shè)備在物理上更小。

Ga2O3電子產(chǎn)品的最初目標(biāo)是用于DC/DC和DC/交流應(yīng)用的高功率轉(zhuǎn)換器。肖特基二極管可以在開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器中補(bǔ)充600伏硅或碳化硅整流器。人們應(yīng)該記住，在電源開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，工作電壓受到擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度(Ebr)的限制，這是這里的關(guān)鍵規(guī)格。Ga2O3的臨界場(chǎng)強(qiáng)是硅的20倍以上，是SiC和GaN的2倍以上。因此，它應(yīng)該能夠在高電壓和高溫下工作，同時(shí)產(chǎn)生比當(dāng)前發(fā)電設(shè)備高得多的功率。到目前為止，用Ga2O3演示的電子器件包括擊穿電壓> 1 kV的千伏級(jí)肖特基整流器和臨界場(chǎng)強(qiáng)大于典型氮化鎵或碳化硅值的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

由于許多關(guān)鍵器件參數(shù)隨著帶隙值呈指數(shù)級(jí)提高，因此這種提高足以證明全面開(kāi)發(fā)新技術(shù)的努力是合理的。也就是說(shuō)，必須補(bǔ)充的是，Ga2O3有局限性——與其他WBG材料相比，它的熱導(dǎo)率非常低。

由于已經(jīng)提到的原因，Ga2O3可能會(huì)補(bǔ)充碳化硅和氮化鎵，但預(yù)計(jì)不會(huì)取代它們。那么，除了更成熟的碳化硅和氮化鎵功率器件技術(shù)之外，它還需要發(fā)揮什么作用呢？

如上所述，氧化鎵的導(dǎo)熱性很差。當(dāng)你制造一個(gè)大功率設(shè)備時(shí)，你需要有一個(gè)良好的導(dǎo)熱性來(lái)從設(shè)備中提取熱量。首先，氧化鎵的低熱導(dǎo)率可以通過(guò)襯底或通過(guò)減薄襯底、使用散熱器以及頂部散熱來(lái)緩解。

此外，請(qǐng)記住，碳化硅功率器件從構(gòu)思到商業(yè)化需要幾十年的時(shí)間。同樣，商用GaN射頻(rf)晶體管最早出現(xiàn)在2004年，2008年有100 V器件，2012年有600 V器件。市售的碳化硅和氮化鎵功率器件仍然具有高成本，并且碳化硅和氮化鎵不能像硅一樣從熔體中生長(zhǎng)。

氮化鎵和碳化硅目前覆蓋許多相同的電壓范圍，氮化鎵器件占主導(dǎo)地位，從幾十到幾百伏，碳化硅從大約1千伏到幾千伏。氮化鎵器件的未來(lái)——近期——電壓范圍應(yīng)該從商用的1200伏器件到3300伏的實(shí)驗(yàn)器件，而碳化硅器件將擴(kuò)展到600伏。換句話說(shuō)，這些技術(shù)在很大程度上是互補(bǔ)的，并將繼續(xù)共存。Ga2O3不會(huì)取代這些材料，但它可能在更高的電壓下補(bǔ)充它們。

此外，現(xiàn)有的硅、碳化硅和氮化鎵在工藝成熟度方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，這一優(yōu)勢(shì)對(duì)于硅來(lái)說(shuō)尤其如此。

對(duì)于Ga2O3來(lái)說(shuō)，這一旅程才剛剛開(kāi)始，因?yàn)殛P(guān)于其基本性質(zhì)的報(bào)告和研究才剛剛開(kāi)始出現(xiàn)。飛機(jī)電子、雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)電源、汽車電子、電動(dòng)機(jī)控制器和功率調(diào)節(jié)等應(yīng)用需要高效電源和功率轉(zhuǎn)換器。

　　審核編輯：湯梓紅