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    氧化鎵在電子器件應用的現狀和潛在發展

    2021-10-25 14:02:16

    近日,佛羅里達大學、美國海軍研究實驗室(NRL)與韓國大學對氧化鎵(Ga2O3)在電子器件應用的現狀和潛在發展完成一篇全面的綜述。

    盡管Ga2O3半導體材料具有良好的射頻性能以及高功率等許多優勢(如圖1所示),但同時還具有很多需要克服的障礙。作者認為,Ga2O3電子器件很可能對現有的硅(Si),碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)技術進行技術互補,比如Ga2O3在低頻,高壓領域(如AC-DC轉換)會有良好的應用。

    圖1:顯示了對功率半導體器件重要的關鍵材料(Si, SiC, GaN, Ga2O3)特性。


    圖1:顯示了對功率半導體器件重要的關鍵材料(Si, SiC, GaN, Ga2O3)特性。

    氧化鎵是寬帶隙半導體(~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行n型(電子)摻雜。寬帶隙與高臨界場相關聯,使得其能夠在擊穿發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3kV。

    Ga2O3另外一個優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出穩定的β多型體的晶體材料。它是硅熔體的晶體生長,可為主流電子產品提供高質量的基板。


    圖2:在電流和電壓需求方面Si,SiC,GaN和Ga2O3功率電子器件的應用


    圖2:在電流和電壓需求方面Si,SiC,GaN和Ga2O3功率電子器件的應用

    該團隊強調“功率調節系統,包括航空電子設備和電動船的脈沖功率,重型電動機的固態驅動器,以及先進的電源管理和控制電子設備”作為潛在應用(如圖2所示)。

    氧化鎵應用范圍從實現可用到可靠的組件,*后再到可插入可持續市場基礎設施等各個方面。但Ga2O3還是存在一個重要的直接缺點:它的導熱率很低(10-30 W/m-K,對比SiC 330 W/m-K,GaN 130 W/m-K和Si 130 W/m-K),這在高功率密度應用中尤為凸顯。其中熱管理的方式包括將器件層轉移到另一層熱傳導更多的基板上;將基板減??;添加散熱器;頂部熱提取或使用風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用的根本問題。有文章曾指出:“由Ga2O3能帶結構的第 一性原理計算可以預期,由于它的低遷移率而在Ga2O3中發生空穴自陷,這會降低有效的p型導電性。理論表明,所有的受體摻雜劑都會產生深的受主能級,而不能產生p型導電性?!蹦壳皟H在高溫下才有任何p型電導率的報道,這可能與天然的Ga空位缺陷有關。


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