【導讀】高效的超高壓功率轉換設備(電壓>20kv)需要比硅的能隙大得多的半導體。寬帶隙(WBG)半導體碳化硅(SiC)已經(jīng)成熟成為電力電子的商業(yè)技術(shù)平臺，但超寬帶隙(UWBG)(帶隙>4.5eV)半導體器件有可能實(shí)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(guò)去十年中，研究活動(dòng)增加最多的可能是氧化鎵(Ga2O3)。這種興趣的部分原因是由于其4.85 eV的大帶隙和晶體生長(cháng)方面的突破，導致了2012年第一個(gè)Ga2O3晶體管的演示。Ga2O3有希望成為電力電子平臺，但在未來(lái)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)需要比硅的能隙大得多的半導體。寬帶隙(WBG)半導體碳化硅(SiC)已經(jīng)成熟成為電力電子的商業(yè)技術(shù)平臺，但超寬帶隙(UWBG)(帶隙>4.5eV)半導體器件有可能實(shí)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(guò)去十年中，研究活動(dòng)增加最多的可能是氧化鎵(Ga2O3)。這種興趣的部分原因是由于其4.85 eV的大帶隙和晶體生長(cháng)方面的突破，導致了2012年第一個(gè)Ga2O3晶體管的演示。Ga2O3有希望成為電力電子平臺，但在未來(lái)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(shù)滲透到下一代電網(wǎng)控制和保護、超快電動(dòng)汽車(chē)充電器或具有尺寸、重量和功率優(yōu)勢的高效負載點(diǎn)轉換器等應用領(lǐng)域，那么吸引了許多行業(yè)注意力的電氣化進(jìn)程可能會(huì )被顛覆性地加速。雖然碳化硅器件的成本比傳統的硅電力電子產(chǎn)品高，但在系統級，由于電路要求更簡(jiǎn)單，預計這些成本將被節省的費用所抵消。
如果出現可行的UWBG技術(shù)平臺，則可以實(shí)現超過(guò)20kV的非常高的電壓和高開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)頻率提高到10khz以上。UWBG半導體本質(zhì)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(guò)較小的UWBG器件減少的載波傳輸時(shí)間也將減少開(kāi)關(guān)損耗(與電容成正比)，并在不犧牲輸出功率的情況下為高速電子設備提供平臺。這種高速功率晶體管在電力電子行業(yè)將是破壞性的，因為系統體積與頻率成反比。
在六個(gè)結晶Ga2O3相中，低對稱(chēng)單斜β- Ga2O3由于其在高溫(>650°C)下的熱穩定性，在其發(fā)展周期中走得最遠，下面的討論涉及到該相。與其他WBG或UWBG半導體不同的是，最初為硅基片開(kāi)發(fā)的熔體生長(cháng)方法已經(jīng)被用于商業(yè)化Ga2O3襯底。β- Ga2O3晶圓已達到4英寸(100毫米)的商業(yè)里程碑，并有望在2027年達到6英寸(150毫米)的尺寸。與此同時(shí)，高質(zhì)量外延的基礎設施正在擴大，以跟上不斷增長(cháng)的Ga2O3基片尺寸。Ga2O3外延生長(cháng)的方法，如化學(xué)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(chǎn)最高質(zhì)量的材料。
盡管UWBG技術(shù)的基本基礎設施構建模塊已經(jīng)進(jìn)入了開(kāi)發(fā)周期，但研究人員仍在積極探索UWBG設備架構。垂直場(chǎng)效應晶體管(FET)，如FinFET(見(jiàn)圖左)，理論上可以阻擋非常高的場(chǎng)，但更容易受到外延層擴展缺陷的影響。橫向晶體管，如異質(zhì)結FET(見(jiàn)圖右)，由于其更小的電容和更短的傳輸時(shí)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(jìn)一步提高功率性能。
氧化鎵(β-Ga2O3)器件
淺層能量供體和受體(帶電雜質(zhì))的存在困擾著(zhù)所有UWBG半導體，因為越來(lái)越寬的能隙通常會(huì )使外部雜質(zhì)駐留在離傳導帶(或價(jià)帶)更遠的地方。然而，對于Ga2O3來(lái)說(shuō)，硅是一種極好的外部淺供體，它能夠實(shí)現從1014 cm-3以下到1020cm-3以上的廣泛可控電導率?？煽氐膎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(cháng)的同質(zhì)外延β-Ga2O3的純度只有硅超過(guò)。最近，通過(guò)無(wú)意受體(2×1013cm-3，~0.06%的給體補償)的超低水平背景使同質(zhì)外延CVD Ga2O3具有極高的低溫遷移率(23000 cm2 V-1 s-1)，這可能源于晶格中無(wú)意形成的點(diǎn)缺陷。
然而，要在這種純度水平上生長(cháng)非常厚(>30 μm)的外延β-Ga2O3是非常具有挑戰性的，它的發(fā)展需要與SiC在超高功率開(kāi)關(guān)應用領(lǐng)域競爭。在高壓Ga2O3器件商業(yè)化之前，對Ga2O3外延缺陷的理解必須在未來(lái)幾年內取得進(jìn)展。點(diǎn)缺陷，如空位及其相關(guān)復合體(如空位-間質(zhì)缺陷)以及厚外延層中的擴展缺陷，目前抑制Ga2O3器件尺寸?？偟膩?lái)說(shuō)，Ga2O3中的缺陷表征有望成為一個(gè)豐富的研究領(lǐng)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(yè)企業(yè)能夠實(shí)現這一目標。
對于電力電子來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)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，限制了它們的傳導。無(wú)論器件幾何形狀如何，Ga2O3中p型導電性的缺失對高電場(chǎng)管理提出了挑戰，任何實(shí)際的解決方案都需要對先前開(kāi)發(fā)的半導體所沒(méi)有面臨的異質(zhì)集成進(jìn)行創(chuàng )新。
不同于p型半導體，如SiC、氮化鎵(GaN)或金剛石，WBG p型氧化鎳(NiO)可以在室溫下濺射，因此有利于與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(jīng)表明，通過(guò)將異質(zhì)結與這些器件中的場(chǎng)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(kāi)發(fā)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(fā)展可能導致可靠的結勢壘肖特基整流器商業(yè)化，就像SiC的情況一樣。
在實(shí)際高壓電子器件中使用UWBG材料的關(guān)鍵要求是在表面上有效的電場(chǎng)終止。氮深受主在使Ga2O3幾乎絕緣和產(chǎn)生可減小電場(chǎng)的有效介電層方面是有效的。選擇性離子注入可以在器件制造過(guò)程中形成導電和絕緣表面區域。干蝕刻是制造這種圖案的一個(gè)常見(jiàn)的加工步驟，它會(huì )引入影響器件可靠性的表面缺陷。如果圖案可以完全通過(guò)離子注入來(lái)實(shí)現，那么干蝕刻可能完全被消除。與其他UWBG材料不同的是，Ga2O3甚至可以在磷酸中濕蝕刻，并使用氣相Ga蝕刻，這兩種方法都可以消除等離子蝕刻帶來(lái)的化學(xué)和機械損傷，因為等離子蝕刻總是會(huì )在蝕刻表面引入缺陷。在開(kāi)發(fā)Ga2O3專(zhuān)用制造工藝的同時(shí)，開(kāi)發(fā)高質(zhì)量厚外延層，可以在下一個(gè)十年中加速Ga2O3器件的商業(yè)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極低的導熱系數(11到27 W m-1K-1)。Ga2O3晶體管的冷卻甚至比GaN晶體管更關(guān)鍵，后者也有自熱效應。盡管Ga2O3器件在運行過(guò)程中輸出的功率與GaN器件相比仍然要低一個(gè)數量級，但為GaN開(kāi)發(fā)的頂部和底部側冷卻方法可以應用于Ga2O3。事實(shí)上，用AlN或納米晶金剛石覆蓋橫向晶體管可以實(shí)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(lèi)似。具有高導熱性的異質(zhì)集成WBG p型半導體，如SiC, GaN，甚至金剛石，尤其適用于p-n和結勢壘肖特基整流器。
回顧WBG半導體的早期商業(yè)化努力，SiC的成功在一定程度上是由大量的政府投資和持續創(chuàng )新的科研努力所驅動(dòng)的。解決碳化硅微管和基面位錯缺陷問(wèn)題依賴(lài)于先進(jìn)的表征技術(shù)，如紫外光致發(fā)光成像和光譜學(xué)。材料科學(xué)家們繼續發(fā)展他們對直徑更大的SiC晶圓缺陷的理解。
在厚(>30 μm)Ga2O3外延層中理解和控制點(diǎn)缺陷和擴展缺陷也需要類(lèi)似的努力。政府的資金對于早期支持這些努力是至關(guān)重要的。美國海軍研究辦公室于2017年啟動(dòng)了小型企業(yè)技術(shù)轉讓項目，旨在啟動(dòng)β-Ga2O3 CVD的開(kāi)發(fā)，該項目在項目結束前實(shí)現了該能力的商業(yè)化，凸顯了該新技術(shù)的重要性。最近頒布的美國芯片和科學(xué)法案不僅將為芯片制造設施提供資金，還將向美國商務(wù)部和美國國防部提供130億美元，用于半導體和微電子研究和開(kāi)發(fā)。這些投資將在未來(lái)幾年刺激UWBG半導體和相關(guān)材料研究的額外資金，期望異構集成半導體模塊的多樣化組合將克服使用特定半導體制造的芯片的缺點(diǎn)。此外，只有在無(wú)源器件能夠跟上的情況下，更高頻率的器件才會(huì )在系統級別上發(fā)揮作用。磁性材料的進(jìn)步也有助于防止電感器和變壓器等部件在更高頻率下變得太過(guò)損耗。
（來(lái)源：內容由半導體行業(yè)觀(guān)察（ID：icbank）編譯自science）
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