【導讀】高效的超高壓功率轉換設備(電壓>20kv)需要比矽的能隙大得多的半導體。寬帶隙(WBG)半導體碳化矽(SiC)已經成熟成為電力電子的商業技術平台，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镓(Ga2O3)。這種興趣的部分原因是由於其4.85 eV的大帶隙和晶體生長方麵的突破，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台
，但在未來十年將這種UWBG半導體投入商用存在挑戰。

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)需要比矽的能隙大得多的半導體。寬帶隙(WBG)半導體碳化矽(SiC)已經成熟成為電力電子的商業技術平台
，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镓(Ga2O3)。這種興趣的部分原因是由於其4.85 eV的大帶隙和晶體生長方麵的突破，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台
，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製和保護、超快電動汽車充電器或具有尺寸、zhonglianghegonglvyoushidegaoxiaofuzaidianzhuanhuanqidengyingyonglingyu

，namexiyinlexuduoxingyezhuyilidedianqihuajinchengkenenghuibeidianfuxingdijiasu。suirantanhuaguiqijiandechengbenbichuantongdeguidianlidianzichanpingao，danzaixitongji，youyudianluyaoqiugengjiandan，yujizhexiechengbenjiangbeijieshengdefeiyongsuodixiao。

如果出現可行的UWBG技術平台
，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)，並bing在zai不bu犧xi牲sheng輸shu出chu功gong率lv的de情qing況kuang下xia為wei高gao速su電dian子zi設she備bei提ti供gong平ping台tai。這zhe種zhong高gao速su功gong率lv晶jing體ti管guan在zai電dian力li電dian子zi行xing業ye將jiang是shi破po壞huai性xing的de
，因yin為wei係xi統tong體ti積ji與yu頻pin率lv成cheng反fan比bi。

在六個結晶Ga2O3相中，低對稱單斜β- Ga2O3由於其在高溫(>650°C)下的熱穩定性，在其發展周期中走得最遠

，下麵的討論涉及到該相。與其他WBG或UWBG半導體不同的是，最初為矽基片開發的熔體生長方法已經被用於商業化Ga2O3襯底。β- Ga2O3晶圓已達到4英寸(100毫米)的商業裏程碑，並有望在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)，由於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。

氧化镓(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，對於Ga2O3來說，矽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。可控的n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的純度隻有矽超過。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)
，這可能源於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，如空位及其相關複合體(如空位-間質缺陷)以及厚外延層中的擴展缺陷
，目前抑製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。

對於電力電子來說，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，限製了它們的傳導。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麵臨的異質集成進行創新。

不同於p型半導體，如SiC
、氮化镓(GaN)或金剛石
，WBG p型氧化鎳(NiO)可以在室溫下濺射
，因此有利於與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麵上有效的電場終止。氮深受主在使Ga2O3幾ji乎hu絕jue緣yuan和he產chan生sheng可ke減jian小xiao電dian場chang的de有you效xiao介jie電dian層ceng方fang麵mian是shi有you效xiao的de。選xuan擇ze性xing離li子zi注zhu入ru可ke以yi在zai器qi件jian製zhi造zao過guo程cheng中zhong形xing成cheng導dao電dian和he絕jue緣yuan表biao麵mian區qu域yu。幹gan蝕shi刻ke是shi製zhi造zao這zhe種zhong圖tu案an的de一yi個ge常chang見jian的de加jia工gong步bu驟zhou
，它ta會hui引yin入ru影ying響xiang器qi件jian可ke靠kao性xing的de表biao麵mian缺que陷xian。如ru果guo圖tu案an可ke以yi完wan全quan通tong過guo離li子zi注zhu入ru來lai實shi現xian，那na麼me幹gan蝕shi刻ke可ke能neng完wan全quan被bei消xiao除chu。與yu其qi他taUWBG材料不同的是
，Ga2O3甚至可以在磷酸中濕蝕刻，並使用氣相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麵引入缺陷。在開發Ga2O3專用製造工藝的同時
，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極低的導熱係數(11到27 W m-1K-1)。Ga2O3晶體管的冷卻甚至比GaN晶體管更關鍵，後者也有自熱效應。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於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，尤其適用於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de成cheng功gong在zai一yi定ding程cheng度du上shang是shi由you大da量liang的de政zheng府fu投tou資zi和he持chi續xu創chuang新xin的de科ke研yan努nu力li所suo驅qu動dong的de。解jie決jue碳tan化hua矽gui微wei管guan和he基ji麵mian位wei錯cuo缺que陷xian問wen題ti依yi賴lai於yu先xian進jin的de表biao征zheng技ji術shu，如ru紫zi外wai光guang致zhi發fa光guang成cheng像xiang和he光guang譜pu學xue。材cai料liao科ke學xue家jia們men繼ji續xu發fa展zhan他ta們men對dui直zhi徑jing更geng大da的deSiC晶圓缺陷的理解。

在厚(>30 μm)Ga2O3外延層中理解和控製點缺陷和擴展缺陷也需要類似的努力。政府的資金對於早期支持這些努力是至關重要的。美國海軍研究辦公室於2017年啟動了小型企業技術轉讓項目，旨在啟動β-Ga2O3 CVDdekaifa，gaixiangmuzaixiangmujieshuqianshixianlegainenglideshangyehua
，tuxianlegaixinjishudezhongyaoxing。zuijinbanbudemeiguoxinpianhekexuefaanbujinjiangweixinpianzhizaosheshitigongzijin，haijiangxiangmeiguoshangwubuhemeiguoguofangbutigong130億美元
，用於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ban導dao體ti和he相xiang關guan材cai料liao研yan究jiu的de額e外wai資zi金jin，期qi望wang異yi構gou集ji成cheng半ban導dao體ti模mo塊kuai的de多duo樣yang化hua組zu合he將jiang克ke服fu使shi用yong特te定ding半ban導dao體ti製zhi造zao的de芯xin片pian的de缺que點dian。此ci外wai，隻zhi有you在zai無wu源yuan器qi件jian能neng夠gou跟gen上shang的de情qing況kuang下xia
，更geng高gao頻pin率lv的de器qi件jian才cai會hui在zai係xi統tong級ji別bie上shang發fa揮hui作zuo用yong。磁ci性xing材cai料liao的de進jin步bu也ye有you助zhu於yu防fang止zhi電dian感gan器qi和he變bian壓ya器qi等deng部bu件jian在zai更geng高gao頻pin率lv下xia變bian得de太tai過guo損sun耗hao。

（來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自science）

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