功率半導體氧化鎵到底是什么

　　α-Ga2O3

　　2018年初，電裝與FLOSFIA公司決定共同開(kāi)發(fā)面向車(chē)載應用的新一代氧化鎵功率半導體材料——α-Ga2O3。

　　α-Ga2O3是京都大學(xué)藤田靜雄教授全球首次開(kāi)發(fā)成功的單結晶合成材料，可用于電動(dòng)車(chē)的轉換器，能實(shí)現低功耗、低成本、小型輕量化。

　　FLOSFIA是于2011年由京都大學(xué)發(fā)起成立的一家合資公司。致力于α-Ga2O3功率半導體研發(fā)。2015年發(fā)表了世界最小的導通電阻0.1mΩcm2 SBD(Schottky Barrier Diode)試制數據，2016年成功研制了新型P型半導體α-Ir2O3。

　　氧化鎵MOSFET

　　今年早些時(shí)候，布法羅大學(xué)(UB)工程與應用科學(xué)學(xué)院電氣工程副教授Uttam Singisetti博士和他的學(xué)生制造了一個(gè)厚度為5微米、由氧化鎵制成的MOSFET。

　　研究人員表示，該晶體管的擊穿電壓為1,850 V，比氧化鎵半導體的記錄增加了一倍多。擊穿電壓是將材料(在這種情況下為氧化鎵)從絕緣體轉換為導體所需的電量。擊穿電壓越高，器件可以處理的功率越高。

　　Singisetti表示，由于晶體管的尺寸相對較大，因此不適合智能手機和其他小型設備。但它可能有助于調節大規模運營(yíng)中的能量流，例如收獲太陽(yáng)能和風(fēng)能的發(fā)電廠(chǎng)，以及電動(dòng)汽車(chē)、火車(chē)和飛機等。

　　但是，該研究還需要深入下去，以解決其導熱性差的缺點(diǎn)。

　　縱向Ga2O3功率器件

　　近期，日本情報通信研究機構(NICT)與東京農工大學(xué)(TUAT)演示了一種“縱向的”氧化鎵MOSFET，它采用“全離子注入( all-ion-implanted )”工藝進(jìn)行N型與P型摻雜，為低成本、高可制造性的Ga2O3 功率電子器件鋪路。

　　過(guò)去幾年來(lái)，Ga2O3 晶體管的開(kāi)發(fā)集中于研究橫向幾何結構。然而，由于器件面積較大、發(fā)熱帶來(lái)的可靠性問(wèn)題、表面不穩定性，橫向器件不容易經(jīng)受住許多應用所需的高電流與高電壓的考驗。

　　相比而言，縱向幾何結構能以更高的電流驅動(dòng)，不必增加芯片尺寸，從而簡(jiǎn)化了熱管理?？v向晶體管開(kāi)關(guān)的特性，是通過(guò)向半導體中引入兩種雜質(zhì)(摻雜劑)來(lái)設計的。開(kāi)關(guān)“打開(kāi)”時(shí)，N型摻雜，提供移動(dòng)的載流子(電子)，用于攜帶電流;開(kāi)關(guān)“關(guān)閉”時(shí)，P型摻雜，會(huì )啟動(dòng)電壓阻斷。

　　Masataka Higashiwaki 領(lǐng)導的 NICT 科研小組率先在 Ga2O3 器件中使用硅作為N型摻雜劑，但是科學(xué)界長(cháng)期以來(lái)一直在為找到一種合適的P型摻雜劑而努力。今年早些時(shí)候，同一科研小組，公布了用氮(N)作為P型摻雜劑的可行性。他們最新的成果包括首次通過(guò)高能量摻雜劑引入工藝，即所謂的“離子注入”，整合硅與氮摻雜，設計出一個(gè) Ga2O3 晶體管。

　　據悉，縱向功率器件可以實(shí)現超過(guò)100A的電流和超過(guò)1kV的電壓，這樣的結合是許多應用所要求的，特別是電力工業(yè)和汽車(chē)電力系統所需要的。

　　熱管理方法研究

　　近期，美國佛羅里達大學(xué)、美國海軍研究實(shí)驗室和韓國大學(xué)的研究人員也在研究氧化鎵MOSFET。佛羅里達大學(xué)材料科學(xué)與工程教授Stephen Pearton表示，它們正在研究氧化鎵作為MOSFET的發(fā)展潛力。傳統上，這些微型電子開(kāi)關(guān)由硅制成，用于筆記本電腦、智能手機和其他電子產(chǎn)品。對于像電動(dòng)汽車(chē)充電站這樣的系統，我們需要能夠在比硅基器件更高的功率水平下工作的MOSFET，而氧化鎵可能就是解決方案。為了實(shí)現這些先進(jìn)的MOSFET，該團隊確定了需要改進(jìn)柵極電介質(zhì)，以及更有效地從器件中釋放熱量的熱管理方法。

　　結語(yǔ)

　　氧化鎵是一種新興的功率半導體材料，其禁帶寬度大于硅，氮化鎵和碳化硅，在高功率應用領(lǐng)域的應用優(yōu)勢愈加明顯。但氧化鎵不會(huì )取代SiC和GaN，后兩者是硅之后的下一代主要半導體材料。

　　氧化鎵更有可能在擴展超寬禁帶系統可用的功率和電壓范圍方面發(fā)揮作用。而最有希望的應用可能是電力調節和配電系統中的高壓整流器，如電動(dòng)汽車(chē)和光伏太陽(yáng)能系統。

　　但是，在成為電力電子產(chǎn)品的主要競爭者之前，氧化鎵仍需要開(kāi)展更多的研發(fā)和推進(jìn)工作，以克服自身的不足。