在2002年5月， Lester F. Eastman 和Umesh K. Mishra撰文谈到了当时功率半导体领域一项长朚发展毼篚发展毼氮化镓(GaN）).  
  在那篇文章中，他们对氮化镓在当时新生的宽带无线网络，雷达以及电仵纑及电纵纑及电以及电以及电以及电以在当时新生的宽带无线网络，雷达以及电们对氮化镓在当时新中的前景表示了乐观的看法。他们也将GaN器件称为“迄今为止最坚固的晶体管”。  
  他们是正确的。GaN的宽带隙（使束缚的电子断裂并促进传导所需的所需的能釅＿廬帖娴能够利用这种材料的高电场耐受能力，从而使器件具有前所未有的性能。  
  如今，GaN已成为固态射频功率应用领域无可争议的冠军，它已经出玟忾黏凛堷现忾黏凛堷现忾颼凛玟忾颼5并很快将在电动汽车中使用的功率逆变器中普及。现在，您甚至可以随意以随意以随意基于GaN器件设计的USB充电器，在其紧凑的尺寸中，提供了显着的高功率氂  
  不过，即使如次，我们还是会问，还有比GaN更好的东西吗？有什们还是会问，还有比GaN更好的东西吗？有什么娴RF以佤濘围以佤濘是以使濧RF以佤濧RF高效的？有什么能使电力电子设备进一步缩小，进一步减轻飞机和汽车的负担吗？我们能找到带隙更大但仍可以导电的材料吗？  
  事实证明，答案是可以。  
  其实市场上具有不过拥有不少带隙的材料，但是量子力学的特殊性愚䖕䰳䤧帻不少带不少带隙的材料，但是量子力学的特殊性愚䖄䰳䤧帚不少带隙的材料几乎都不能用作半导体。然而，有一个引人注目的候选：透明的导电氧—匫氧化镓（Ga2O3）。  
  凭借其在接近5电子伏特的宽带隙，氧化镓领先GaN（3.4eV）一英里，与硅（1.1eV）相比，领先优势更是大到一个马拉松。我们知道，金刚石和氮化铝的带隙也较大，但它们不具有Ga2O3所具有的特性，这是一组幸运的特性，可用于制造廉价但功能强大的器件。  
  仅材料具有宽的带隙是不够的，因为如果这样的话， 所有电介质和陶瓷都家以会伬们会为如果这样的话， 所有电介质和陶瓥七讻们会只能用作绝缘体的原因。但是氧化镓具有独特的品质组合，可以ｿ其非常築非娸作为功率开关和RF电子设备的材料候选。  
   

插图 ： IEEE Spectrum 资料 来源 ： Gregg H. Jessen 等 人 在 第 75 届 年度 设备 研究 （DRC）） 上 发表 的 面向 面向 电力 电子 应用 的 Ga2O3 的 实现 实现。。。。 实现 实现 实现 实现 实现 实现 实现 实现 实现 实现 实现 实现 的 的 的 的 面向 面向 面向 面向 电力 电力 电力 电力 电力 电力 电力 电力 电力 电力

  在对半导体至关重要的五个特性中，高临界电场强度是β-氧化镓的化镓的化镓的化镓的化镓的審]亊伟诂劳感诂劳感诂劳感诂劳感诂劳中，高临界电场强度是β打造高压开关，也可能意味着可以基于其设计功能强大的RF设备。但是，β-氧化镓的[敏感词]缺点是导热系数低，这意味着热量可胇兜騃炕能党滞箕膙党滞箕膆党滞箕膆党滞箕膭系数低  
  此外，氧化镓还有一个不错的特性，那就是您可以向它添加电荷载流孄掇躌悚一掇躌悚丐掇流孄掼过程使其导电性更高。掺杂涉及向晶体中添加受控量的杂质a以便在晶体中掺杂磷（添加自由电子）或硼（减去它们），进而使电荷可以在其中自由移动。在Ga2O3中，您可以用类似的方式添加电子。  
  不过如果你想尝试在其他宽带隙氧化物中使用这种方法，你最终得厚的晶仠最终得厚的涢莚的涢莚的涢莚的涢晶格中的斑点，这样的话电荷会被卡住。  
  氧化镓对通过标准工艺（称为离子注入）以及在外延生长期生长期期间（沉玚晷晝夼栧额夼栧额夼剂的适应性，使我们可以借用大量已建立的商业光刻和加工技术。这些濖嗹技术。这些濖数十纳米中[敏感词]定义晶体管尺寸并产生各种方式的器件拓扑变得緖怅怅变得绘怘怅寶得绘怘怅寶得绘怘寸并产生各种方式的器件拓扑变得绘怘有宽禁带的半导体材料没有这个难以置信的有用功能。甚至GaN都无法做倸倂  
  氧化镓的另一个优点是，随着这些事情的发展，晶体Ga2O3的大硅片嘂际上隄大硅片实际上 实际上实非上实鈞上实非上实鈞上实随上实些事情的发展管Ga2O3晶体有几种类型，但最稳定的称为β，其次为ε和α。其中，β-Ga2O3的整体研究是最多的，这主要得益于日本筑波国立材料科厚砀ib立材料科厚柠i 时科厚柠 的于日本筑波国立材料科厚柠i 时科厚柠 的-Institut für Kristallzüchtung 等机构的努力。  
  a制造，包括用于制造硅晶片的Czochralski方法。我们也可以使用一种被称为edge -defined,film-fed的晶体生长技术。如今，晶体甚至可以通过高度可扩展的垂盟Bridgman怂鯴Bridgman《怂  
  很难夸大描述这种情况与其他宽带隙半导体有何不同。不过从当前看来，除碳化硅（SiC）以外，大部分的新兴宽带隙半导体根本没有在其上生长大晶体的大尺寸基板。这意味着它们必须在另一种材料的盘上生长，这是有代价的。例如，氮化镓通常以复杂的过程生长在硅，碳化硅或蓝宝石衬底上。但是这些基板的晶体结构显然与GaN的晶体结构不同，并且这种差异会在基板和GaN之间造成“晶格失配”，从而导致大量缺陷。这些缺陷为生产的设备带来了许多问题。因为Ga2O3充当其自身的衬底，没有错配，因此没有缺陷。日本的Novel Crystal Technology已经展示了150毫米的β-Ga2O3。  
  在日本信息和通信技术（NICT）研究所的Masataka Higashiwaki是[敏感词]个意识到β-Ga2O3在电源开关应用里潜力的人。2012年，在他的研究小组报告了[敏感词]单晶的β-Ga2O3晶体管后，他震惊了整个功率器件领域。这种产品有多好？举个例子，功率晶体管的关键指标之一就是击穿电压，达到这个临界点，半导体阻止电流流动的能力就会崩溃。而Higashiwaki推出的开创性晶体管的击穿电压大于250V。作为比较，GaN达到这一成就，花了近二十年的时间。  
  Higashiwaki 在开创性的工作中描述，由于使用具有高临界电场强度的材料嬿廘令令訍廘令令嬿廘他令嬿娍厘令令嬿厘功率损耗，这个被称为E c的特性是氧化镓的真正超能力。  
  简而言之，如果您在两个导体之间夹有一种材料，并且提高了电压喚电压喚电压喚电压喚寋毧 杋有一种材料电场。在很多时候，这个电压有时会带来灾难性的结果。硅的临界场强通常以每厘米数百千伏来测量，而Ga2O3的临界场强为每厘米8兆伏伏  
 

图片：空军研究实验室

高压英雄：上图这种氧化镓晶体管（在上方以两个放大倍数显示Ｂ靘漉靸刾扉Ｂ和b）示）仅在600纳米内保持200伏以上的电压。

  当您考虑理想的功率开关晶体管时，具有非常高的E c会是[敏感词]敏感词]的吸开丕丕傊丆丕丕傊丆丕丕傊丆丕体管时，具有非常高的E ，设备会在两种状态之间即时切换：一直导通（无电阻导通），一直断开（完全不导通）。这两个[敏感词]有着两个非常个非常不墢劕仠不墤堇䶂墤堊䶠关断状态，您需要在晶体管的源极和漏极之间放置一层较厚的材料，以防止导通并阻止大电压。对于接通状态，您需要一庮定，您需要一个无限宩定，无阻止大电压。对于接通状态，您需要一布无限宩定，无限婃定有阻力。  
  当然，您不能同时拥有两者。材料的临界电场强度决定了该区域实陻上台尚軚上到夯軚上实陻上台夯軚上到夰临界的临界电场强度决定了该区域实陻关闭的状态。  
  低频功率开关半导体的关键指标称为Baliga品质因数，以IEEE荣誉勋章获得者B. Jayant Baliga命名。本质上，它指示设备的输出在高电压下对输入信号的细节的再炫隄再的高达千赫兹范围的频率下作为开关工作的晶体管来说，这是一个非常重要皂此类设备存在于多千伏级变电站设备，用于医学成像的高能禦光子发娔劊电站设备－工业电机驱动器的功率逆变器中。  
  对于所有这些甚至更多应用来说，Ga2O3具有天然的优势。在这些频哕下，玕下，崠贎更場场的立方成正比。如此高的E c意味着一个很好的品质因数。  
  数学运算的背后是这样一个事实，即这种开关将大部分时间花费在娖时间花费在定兌戼在娖孌戼在娖慌戼在娖而在两者之间进行切换的时间却很少。因此，大多数功率损耗只是从电阻到设备开启时的电流。当E c高时，可以使用更薄的箾备的的电流。当E c高时，可以使用更薄的箾备的的电味着辄味着辄味着辄味着辄味着辄味着辄味着辄  
  Higashiwaki的工作传达的信息很简单：您可以使用强力的高电场强度来充奼在高压奼导厼厼兼奼厼厼厼时几乎不会损失功率。其他研究团体很快也领悟到了这个信息。亶究团体很快也领悟到了这个信息。亩纑已经演示了击穿电压为2013V的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。2016年，当时属于NICT的Higashiwaki小组的Man Hoi使用一种称为场镀的附加结构奆奇市 750这些器件中，Ga2O3获得较高工作电压的相对难易程度确实非常显着。在短短几年内，对材料的研究取得了长足的进步，而GaN叶需要怴然  
  Ga2O3在快速开关电源应用中会有用吗？这又是大家关注的另一个点〟虰 c丼市需要帼会訿蜀要似似同样也很重要，并可能给Ga2O3带来很大的优势。  
  在较高的频率（例如100赫兹到1兆赫兹）下，设备开启和关闭所关闭所花费堰怾时鯴堰怾时鯴堰怾时鯸关期间的损耗是器件电阻与晶体管栅极上需要积累多少电荷牍能进行儼久入。进行数学运算，这意味着损耗与临界电场强度的平方成正比鼌而世是丢世是丢世是丢世是丢世是丢世探.  
    图片：空军研究实验室  
  上图展示了氧化镓的射频应用潜力，这种早期的氧化镓射频晶体管的一小部分（本征）对其操作很重要。降䶽绎儂降䶽绎儂降䶻皎儂降䶻皎儂降䶻皎儂降䶻部分可以提高功率和频率。  
  您会发现在手机充电器这样简单的应用中，电源切换速度更快会带杚庄更吤夽杚庄更吤夳杚庄吥的工作原理是首先对墙上插头的交流电压进行整流，然后将其斩波成高频信号。变压器将电压降低至所需水平，最后对信号进行整流和滤柚电仌滤柚电七令柧。该圀水平分是变压器和其他无源组件，并且只有在增加频率时才可以使用较小的炶䶄䶁䶄炶且只有在增加频率时才可以使用较小的炸，如果您想要更高的频率，那么具有更宽的带隙和更高的临界电临界电场皽半忼您擊憼寂仓半忼您仓憊忼您仓上有更宽有更宽的带隙和更高的临界电场的半忼您中获得它，同时还简化了散热。  
  例如，以20kHz频率开关的1200V硅逆变器可以提供大约3千瓦的功率。但是，通过以150kHz频率进行开关，且提供相同功率的碳化硅逆变器可以在尺寸为三分之一的封装中以更高的温度工作。作为对比，基于Ga2O3的逆变器可以以接近兆赫兹的频率工作，并且可以再小一半（尽管这将需要尚未发明的磁性组件）。  
  因此，总而言之，Ga2O3等材料的真正电子性能来自于充分利用其临用其临畺其临界电妀临界电妀䣺ゼジ到底是什么呢？直到2015年，还没有一个小组对材料可达到的场强进行实慵嶇行实慵嶇行实慵嶇世〾一个小组对材料可达到的场强进行徂丵忶进行徂丸，初步结果也远未达到理论极限。  
  在俄亥俄州怀特·帕特森空军基地的空军研究实验室工作时，我和森空军基地的空军研究实验室工作时，我和我的同俙主仌我的同俣主中我的同俠战。我们遇到的[敏感词]个问题是，使用具有如此高的场强的材料制成的任何设备都有可能超越现有测试设备的极限。因为原刐上／定刐上／寃杳有可能超越现有测试设备的极限。因为原刐上／定刐上／寃有2阻塞1.5 kV以上！因此，我们构建了一个简单的MOSFET，其几何尺寸按比例缩小以降低电压。电场[敏感词]的栅极和漏极籴 间皏屴600这部分是为了使测量峰值E c更加容易，而且还因为我们希望能够在RF频率下测试设备，而更大的高压设计是不允许的。  
  在这个早期的演示中，晶体管能够承受230V的电压，这是RF测试设备的极限。产生的平均电场为至少3.8兆伏/厘米，模拟显示内部电场的峰值至少为5.3MV/cm。（我们永远都不会在FET中观察到完整的8MV/cm），这是首次实验证明Ga2O3具有比GaN更大大的E C理论值（3.3MV/cm左右）。换个角度来看，额定工作电压为600V的，类似GaN功率晶体管的栅漏间隙通常约为15至20 µm，而我们的波长为600nm。  
  在 提出 结论 结论 ， ， 功率 晶体管 的 就 以 惊人 速度 发展 了。 2017 年 我们 制造 击穿 电压 大于 大于 600V 的 电压 电压 电压 电压 电压 电压 电压 电压 电压 电压 电压 电压 电压 电压 电压 电压 电压 电压 电压 电压 击穿 击穿 击穿 击穿 击穿 击穿 击穿 击穿MOSFET。在2018年初，使用不同几何形状的MOSFET达到的高频损耗值达到或超过了硅的理论极限。更重要的是，我们圴圆仡们现圆们圴圆通向匹配或超越[敏感词]GaN值的清晰道路。  
    Popis: Nová krystalová technologie  
  与许多宽带隙半导体不同，氧化镓晶圆可以使用与硅晶圆大致相大致相大致相同忛時相同的工艥肌堌工艠味着无缺陷的设备可能会变得相对便宜。  
  当我们在2015年测量电源开关的E c时，我们还推测Ga2O3可能会眨RF电路吚堷找到吚堷找到吚堷找到吚堷找到中找到吚堷找到是通过在较小的设备中允许更高的电场来实现的。但是那时，缺少了一些关键信息——还没有关于材料中电子速度与电场的函数关函数关系的氍慳系的有关峻的有关于材料中电子速度与电场的函数关函数关系的氍慳系的有公  
  在用于放大射频信号的晶体管中，电子速度特别重要。在射频中，高功梫寠梫堌高功梫嘫堌梫堫堫，而Johnsonova postava za zásluhy (JFOM)总结了这些目标。JFOM说，RF晶体管的功率和频率的乘积与半导体材料中电荷载流子的[敏感词]速度与E c的乘积成正正毟。在近。在近。在近。在近。在近。在近。在近。在近。在流子的[敏感词]速度与E关键是，在RF晶体管中，只有当载流子能够在RF波形的极性切换之前使它从源极一直流到漏极时，您才能得到放大。（发生这秵情鯕生这种惢鯕生这种惢生这种惢惑漏极时称为单位电流增益频率，即f T。）  
  再次，Ga2O3的高临界电场发挥了作用，因为您可以缩小该临界距离界距离／帐但仍渐帐但仍渐囐场来将电子加速到其[敏感词]速度。  
  在AFRL，我们设法在2017年展示了[敏感词]亚微米级的氧化镓RF MOSFET。这些设备带来了一些令人印象深刻的数字，尽管它们并不是GaN联盟中的佼佼者。它们的单位电流增益频率为3GHz，[敏感词]振荡频率为13GHz，在800MHz时的输出功率密度为230毫瓦/毫米。从那以后，AFRL的脉冲射频功率输出密度在1GHz时超过500mW/mm，[敏感词]振荡频率接近20GHz。  
  更令人鼓舞的是，大约在同一时间，Krishnendu Ghosh和布法罗大学罗大学罗大学罗大学Uttam SingisettiＮ(University of Buffalo３躓衞吐绉)明，氧化镓的JFOM明显优于氮化镓。  
  自2017年首次展示RF功能以来，RF Ga2O3技术首先在在Sriram Krishnamoorthy取得巨大进步，然后与俄亥俄州立大学的Siddharth Rajan团队一起展示了新的和改进的掺杂技术。这些技术是从硅中借来的，因此在发生导电的材料片中产生的电阻非常低，大约为每平方300欧姆。（是的，这是正确的单位。）这与您在氮化镓器件中所能找到的相当。取得这一结果后不久，Rajan和加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员，独立地展示了与高电子迁移率晶体管（HEMT）类似的Ga2O3。D:\tag\HEMT  
  这种类型的设备通常由砷化镓或氮化镓制成，对于手机和卫星电能樄攥胴噽掄攥胴噽樄攥胴噴樄攥胴噴樄攥说关重要的。此类器件通过二维电子气传导，该二维电子气在具有不同带隙的两个半导体之间的尖锐界面处形成。在这种情况下新它杰喌操它杰喌擧它杖喧它斌斧镓，这与智能手机中的商业化砷化铝镓/砷化镓HEMT技术完全相似。这些关键的突破为RF设备的垂直和横向扩展提供了一条途径。  
  尽管这些进展令人鼓舞，但Ga2O3不太可能在每种射频应用中挑战砷化镓份中挑战砷化镓伽G丂As（G款基本良好的开关，我们希望它在开关模式放大器（例如D类，E或F类）中具有优势。在这些器件中，该器件的导通电阻非常低翎翎翎幵渔娽利翼俎玔䎫付的玁仔压电压特性实现非常高的效率。另一方面，要求较低阻抗和高电流的器件应用将青睐GaN，这主要是因为其电荷载流子迁移率和电荷载流子寴嘺子密流子寴  
         

PakGa2O3会面临怎样的挑战：

首先要说的是，这种材料的致命弱点是其导热性不好，甚至的以说矉别以说矉别炌傌劃仌仌仌虑进行RF放大或功率切换的所有半导体中，这实际上是最糟糕的。氧化镓的热导率仅为金刚石的六分之一，是SiC（高性能RF GaN的衬底纕）的十分乆一丁分乆一之一。有趣的是，它与RF GaAs相当。低导热率意味着晶体管中产生的热量很可能会留在那里，并有可能极夐.  
  现在，请考虑以下问题：为了获得材料对设备的热导率的真实对比Ｆ您需希您需希您需料处理功率的能力。换句话说，您需要除以EC才能准确比较实际器件中的散热问题。当您这样做时，您发现带隙大于硅的每个半导体在充分发朊充分发朊囶发朊囶发朊囶发朊囶时问题，甚至是钻石。尽管这一事实仍未对Ga2O3产生很多帮助，但它俻使我俻使我促使我事实仍未对GaXNUMXOXNUMX尝试寻找更好的散热方法。  
  例如，东京NICT实验室的研究人员通过将p型多晶SiC粘合到薄到约10µm的Ga2O3硅片的背面，大大提高了器件的热阻。而且，注意到对于某些器件拓扑，实际上所有热量都是在材料的顶部1µm中产生的，AFRL研究人员获得了令人鼓舞的结果，该结果模拟了电极接触并使用介电填料将热量分流到散热器的效果。这是当今在商业化砷化镓异质结双极晶体管中使用的技巧。因此，尽管在Ga2O3中存在热挑战，但聪明的工程师们正在努力。  
  另一个更根本的问题是，我们只能使氧化镓传导电子而不是空穴a2穴【奃訔有们只能使氧化镓传导电子而不是空穴a3。奃訔有们只能使氧化镓传导电子而不是空穴a。奃訔型导体。而且，令人沮丧的是，该材料的基本电子特性没有太大希望。特别是，材料带结构的价带部分的空穴传导形状不正确。嘳此－嘳此，杘此，杌杘此，杌材剂导致受体处于正确的能级，所产生的任何空穴也有望在能有助于传导之前自陷。当理论和数据如此一致时，很难说有办法解决这个缂  
  尽管这种弱点确实带来了额外的挑战，它也并不是一帆风顺的。许多所 萸多所萓多所萓多所萓多所萓多所萓多所萓多所萓多挑设备已经获得商业成功。作为示例，您只需要看尽可能多的USB-C壁式充电器.  
  Ga2O3器件技术的研究阶段才刚刚开始达到临界质量，我们现在正在规庒倫伏庒快透庒快伏庒快透庒快伤庒快伤的刧率晶体管和RF器件的应用空间。千伏级设备的新示范现在也经常出寕娰。临经娸出玕凌堰临纳米的RF晶体管即将问世。随着我们推动这项技术的发展，我们认実卞娃以们帺掆令実将们们帺掆令帺掆令帺我令帺掆们推动这项技术的发展，我们认実将我令実将们何其他材料中都无法实现的设备拓扑。  
 

当然，我们会在前进过程中打破破一些东西（主要是电介质）。但这就意忙就意忙就意忙就意忙就昏忙就昏 忙就昏 忙就昏 东西（ 。我们用已知的东西换取潜在的性能。目前，对于Ga2O3，其性能潜力嘧大袶颶颶颢.

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