来源@@：内容由@@半导体@@行业观察@@（ID：icbank）编译自@@science，谢谢@@。
超宽带隙@@@@半导体@@有望成为大功率晶体管@@
高效的超高压功率转换设备@@@@(电压@@>20kv)需要比硅的能隙大得多的半导体@@@@。宽带隙@@@@(WBG)半导体@@碳化硅@@(SiC)已经成熟成为电力电子@@的商业技术@@平台@@@@，但超宽带隙@@@@@@(UWBG)(带隙@@>4.5eV)半导体@@器件@@有可能实现更高电压@@的电子@@设备@@@@。候选@@UWBG半导体@@包括氮化铝@@(AlN)、立方氮化硼和金刚石@@，但在过去十年中@@@@，研究活动增加最多的可能是氧化镓@@@@(Ga2O3)。这种兴趣的部分原因是由于其@@4.85 eV的大带隙@@和晶体生长方面的突破@@，导致了@@2012年第一个@@Ga2O3晶体管的演示@@。Ga2O3有希望成为电力电子@@平台@@，但在未来十年将这种@@UWBG半导体@@投入商用@@存在挑战@@。
如@@果超高压电子@@技术@@渗透到@@下@@一代电网@@控制和保护@@、超快电动汽车充电器或@@具有尺寸@@、重量和功率优势的高效负载点转换器等应用@@领域@@，那么吸引了许多行业注意力的电气化进程可能会被颠覆性地加速@@。虽然碳化硅器件@@的成本比传统的硅电力电子@@产品高@@，但在系统级@@，由于电路要求更简单@@，预计这些成本将被节省的费用@@所抵消@@。
如@@果出现可行的@@UWBG技术@@平台@@，则@@可以实现超过@@20kV的非常高的电压@@和高开关速度的功率转换@@。即使在@@10kv下@@，也很难在不牺牲电路效率的情况下@@将功率转换器的开关频率提高@@到@@@@10khz以上@@。UWBG半导体@@本质上需要更薄的器件@@层@@，从而减少传导损耗@@(与通道电阻成正比@@)。通过较小的@@UWBG器件@@减少的载波传输时间也将减少开关损耗@@(与电容成正比@@)，并在不牺牲输出功率的情况下@@为高速电子@@设备@@提供平台@@。这种高速功率晶体管在电力电子@@行业将是破坏性的@@，因为@@系统体积与频率成反比@@。
在六个结晶@@Ga2O3相中@@@@，低对@@称单斜@@β- Ga2O3由于其在高温@@(>650°C)下@@的热稳定性@@，在其发展周期中@@走得最远@@，下@@面的讨论涉及到@@该相@@。与其他@@WBG或@@UWBG半导体@@不同的是@@，最初为硅基片开发@@的熔体生长方法已经被用@@于商业化@@Ga2O3衬底@@。β- Ga2O3晶圆已达到@@@@4英寸@@(100毫米@@)的商业里程碑@@，并有望在@@2027年达到@@@@6英寸@@(150毫米@@)的尺寸@@。与此同时@@，高质量外延的基础设施正在扩大@@，以跟上不断增长的@@Ga2O3基片尺寸@@。Ga2O3外延生长的方法@@，如@@化学气相沉积@@(CVD)、分子束外延和卤化物气相外延等@@，正在被广泛研究@@，目的是生产最高质量的材料@@。
尽管@@UWBG技术@@的基本基础设施构建模块已经进入了开发@@周期@@，但研究人员仍在积极探索@@UWBG设备@@架构@@。垂直场效应晶体管@@(FET)，如@@FinFET(见图左@@)，理论上可以阻挡非常高的场@@，但更容易受到@@外延层扩展缺陷的影响@@。横向晶体管@@，如@@异质结@@FET(见图右@@)，由于其更小的电容和更短的传输时间@@，有可能更快更有效地切换@@，而且它还可以使用@@@@Ga2O3三元合金@@，在这种情况下@@是@@β-(Al xGa1-x) 2O3，以进一步提高@@功率性能@@。
氧化镓@@(β-Ga2O3)器件@@
浅层能量供体和受体@@(带电杂质@@)的存在困扰着所有@@UWBG半导体@@，因为@@越来越宽的能隙通常会使外部杂质驻留在离传导带@@(或@@价带@@)更远的地方@@。然而@@，对@@于@@Ga2O3来说@@，硅是一种极好的外部浅供体@@，它能够实现从@@1014 cm-3以下@@到@@@@1020cm-3以上@@的广泛可控电导率@@。可控的@@n型@@电导率甚至延伸到@@三元合金@@@@(Al xGa1-x) 2O3，它有更宽的带隙@@@@，也可根据相和@@Al浓度调节@@。此外@@，CVD生长的同质外延@@β-Ga2O3的纯度只有硅超过@@。最近@@，通过无意受体@@(2×1013cm-3，~0.06%的给体补偿@@)的超低水平背景使同质外延@@CVD Ga2O3具有极高的低温迁移率@@(23000 cm2 V-1 s-1)，这可能源于晶格中@@无意形成的点缺陷@@@@。
然而@@，要在这种纯度水平上生长非常厚@@(>30 μm)的外延@@β-Ga2O3是非常具有挑战性的@@，它的发展需要与@@SiC在超高功率开关应用@@领域竞争@@。在高压@@Ga2O3器件@@商业化之前@@，对@@Ga2O3外延缺陷的理解必须在未来几年内取得进展@@。点缺陷@@，如@@空位@@及其相关复合体@@(如@@空位@@-间质缺陷@@)以及厚外延层中@@的扩展缺陷@@，目前抑制@@Ga2O3器件@@尺寸@@。总的来说@@@@，Ga2O3中@@的缺陷表征有望成为一个丰富的研究领域@@，这也将使任何希望用@@有用@@的设备@@尺寸打破@@20kv障碍的@@Ga2O3电力电子@@商业企业能够实现这一目标@@。
对@@于@@电力电子@@来说@@@@，开发@@p型@@(空穴载流子@@)材料是必要的@@，因为@@Ga2O3中@@的空穴形成局域极化子@@，导致自俘获现象@@，限制了它们的传导@@。无论器件@@几何形状如@@何@@，Ga2O3中@@p型@@导电性的缺失对@@高电场管理提出了挑战@@，任何实际的解决方案都需要对@@先前开发@@的半导体@@所没有面临的异质集成进行创新@@。
不同于@@p型@@半导体@@@@，如@@SiC、氮化镓@@(GaN)或@@金刚石@@，WBG p型@@氧化镍@@(NiO)可以在室温下@@溅射@@，因此有利于与@@Ga2O3器件@@集成@@。最近@@的研究@@，如@@Zhang等人演示的@@8 kv NiO/Ga2O3 p-n二极管@@，已经表明@@，通过将异质结与这些器件@@中@@的场管理和电荷平衡相结合@@，可以潜在地管理@@Ga2O3中@@p型@@电导率的缺乏@@。如@@果开发@@出与@@p型@@WBG半导体@@(如@@GaN或@@AlN)的稳健异构集成@@，则@@Ga2O3作为电力电子@@材料的前景将大大增强@@。这样的发展可能导致可靠的结势垒肖特基整流器商业化@@，就像@@SiC的情况一样@@。
在实际高压电子@@器件@@中@@使用@@@@UWBG材料的关键要求是在表面上有效的电场终止@@。氮深受主在使@@Ga2O3几乎绝缘和产生可减小电场的有效介电层方面是有效的@@。选择性离子注入可以在器件@@制造过程中@@形成导电和绝缘表面区域@@。干蚀刻@@是制造这种图案的一个常见的加工步骤@@，它会引入影响器件@@可靠性的表面缺陷@@。如@@果图案可以完全通过离子注入来实现@@，那么干蚀刻@@可能完全被消除@@。与其他@@UWBG材料不同的是@@，Ga2O3甚至可以在磷酸中@@湿蚀刻@@@@，并使用@@气相@@Ga蚀刻@@，这两种方法都可以消除等离子蚀刻@@带来的化学和机械损伤@@，因为@@等离子蚀刻@@总是会在蚀刻@@表面引入缺陷@@。在开发@@@@Ga2O3专用@@制造工艺的同时@@，开发@@高质量厚外延层@@，可以在下@@一个十年中@@加速@@Ga2O3器件@@的商业化@@，至少可以达到@@双端器件@@@@（如@@二极管@@@@）的规模@@。
必须仔细考虑@@Ga2O3极低的导热系数@@(11到@@27 W m-1K-1)。Ga2O3晶体管的冷却甚至比@@GaN晶体管更关键@@，后者也有自热效应@@。尽管@@Ga2O3器件@@在运行过程中@@输出的功率与@@GaN器件@@相比仍然要低一个数量级@@，但为@@GaN开发@@的顶部和底部侧冷却方法可以应用@@于@@Ga2O3。事实上@@，用@@AlN或@@纳米晶金刚石覆盖横向晶体管@@可以实现@@Ga2O3 5-6w mm-1的直流输出功率@@，这与@@20世纪@@90年代@@GaN高电子@@迁移率晶体管的早期结果类似@@。具有高导热性的异质集成@@WBG p型@@半导体@@@@，如@@SiC, GaN，甚至金刚石@@，尤其适用@@于@@p-n和结势垒肖特基整流器@@。
回顾@@WBG半导体@@的早期商业化努力@@，SiC的成功在一定程度上是由大量的政府投资和持续创新的科研努力所驱动的@@。解决碳化硅微管和基面位错缺陷问题依赖于先进的表征技术@@@@，如@@紫外光致发光成像和光谱学@@。材料科学家们继续发展他们对@@直径更大的@@SiC晶圆缺陷的理解@@。
在厚@@(>30 μm)Ga2O3外延层中@@理解和控制点缺陷@@和扩展缺陷也需要类似的努力@@。政府的资金对@@于@@早期支持这些努力是至关重要的@@。美国海军研究办公室于@@2017年启动了小型@@企业技术@@转让项目@@，旨在启动@@β-Ga2O3 CVD的开发@@@@，该项目在项目结束前实现了该能力的商业化@@，凸显了该新技术@@的重要性@@。最近@@颁布的美国芯片和科学法案不仅将为芯片制造设施提供资金@@，还将向美国商务部和美国国防部提供@@130亿美元@@，用@@于半导体@@和微电子@@研究和开发@@@@。这些投资将在未来几年刺激@@UWBG半导体@@和相关材料研究的额外资金@@，期望异构集成半导体@@模块的多样化组合将克服使用@@特定半导体@@制造的芯片的缺点@@。此外@@，只有在无源器件@@能够跟上的情况下@@@@，更高频率的器件@@才会在系统级别上发挥作用@@@@。磁性材料的进步也有助于防止电感器和变压器等部件在更高频率下@@变得太过损耗@@。