功率半導(dǎo)體氧化鎵到底是什么

　　α-Ga2O3

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

　　α-Ga2O3是京都大學(xué)藤田靜雄教授全球首次開發(fā)成功的單結(jié)晶合成材料，可用于電動(dòng)車的轉(zhuǎn)換器，能實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體研發(fā)。2015年發(fā)表了世界最小的導(dǎo)通電阻0.1mΩcm2 SBD(Schottky Barrier Diode)試制數(shù)據(jù)，2016年成功研制了新型P型半導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(zhuǎn)換為導(dǎo)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(duì)較大，因此不適合智能手機(jī)和其他小型設(shè)備。但它可能有助于調(diào)節(jié)大規(guī)模運(yùn)營中的能量流，例如收獲太陽能和風(fēng)能的發(fā)電廠，以及電動(dòng)汽車、火車和飛機(jī)等。

　　但是，該研究還需要深入下去，以解決其導(dǎo)熱性差的缺點(diǎn)。

　　縱向Ga2O3功率器件

　　近期，日本情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)(NICT)與東京農(nóng)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。

　　過去幾年來，Ga2O3 晶體管的開發(fā)集中于研究橫向幾何結(jié)構(gòu)。然而，由于器件面積較大、發(fā)熱帶來的可靠性問題、表面不穩(wěn)定性，橫向器件不容易經(jīng)受住許多應(yīng)用所需的高電流與高電壓的考驗(yàn)。

　　相比而言，縱向幾何結(jié)構(gòu)能以更高的電流驅(qū)動(dòng)，不必增加芯片尺寸，從而簡化了熱管理?？v向晶體管開關(guān)的特性，是通過向半導(dǎo)體中引入兩種雜質(zhì)(摻雜劑)來設(shè)計(jì)的。開關(guān)“打開”時(shí)，N型摻雜，提供移動(dòng)的載流子(電子)，用于攜帶電流;開關(guān)“關(guān)閉”時(shí)，P型摻雜，會(huì)啟動(dòng)電壓阻斷。

　　Masataka Higashiwaki 領(lǐng)導(dǎo)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)界長期以來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(shè)計(jì)出一個(gè) Ga2O3 晶體管。

　　據(jù)悉，縱向功率器件可以實(shí)現(xiàn)超過100A的電流和超過1kV的電壓，這樣的結(jié)合是許多應(yīng)用所要求的，特別是電力工業(yè)和汽車電力系統(tǒng)所需要的。

　　熱管理方法研究

　　近期，美國佛羅里達(dá)大學(xué)、美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室和韓國大學(xué)的研究人員也在研究氧化鎵MOSFET。佛羅里達(dá)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?jié)摿Α鹘y(tǒng)上，這些微型電子開關(guān)由硅制成，用于筆記本電腦、智能手機(jī)和其他電子產(chǎn)品。對(duì)于像電動(dòng)汽車充電站這樣的系統(tǒng)，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(xiàn)這些先進(jìn)的MOSFET，該團(tuán)隊(duì)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(jié)語

　　氧化鎵是一種新興的功率半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度大于硅，氮化鎵和碳化硅，在高功率應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)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(dǎo)體材料。

　　氧化鎵更有可能在擴(kuò)展超寬禁帶系統(tǒng)可用的功率和電壓范圍方面發(fā)揮作用。而最有希望的應(yīng)用可能是電力調(diào)節(jié)和配電系統(tǒng)中的高壓整流器，如電動(dòng)汽車和光伏太陽能系統(tǒng)。

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