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目前，以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第三代化合物半導(dǎo)體受到的關(guān)注度越來越高，它們在未來的大功率、高溫、高壓應(yīng)用場合將發(fā)揮傳統(tǒng)的硅器件無法實現(xiàn)的作用。特別是在未來三大新興應(yīng)用領(lǐng)域(汽車、5G和物聯(lián)網(wǎng))之一的汽車方面，會有非常廣闊的發(fā)展前景。
然而，SiC和GaN并不是終點，最近，氧化鎵(Ga2O3)再一次走入了人們的視野，憑借其比SiC和GaN更寬的禁帶，該種化合物半導(dǎo)體在更高功率的應(yīng)用方面具有獨特優(yōu)勢。因此，近幾年關(guān)于氧化鎵的研究又熱了起來。
實際上，氧化鎵并不是很新的技術(shù)，多年前就有公司和研究機構(gòu)對其在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用進行鉆研，但就實際應(yīng)用場景來看，過去不如SiC和GaN的應(yīng)用面廣，所以相關(guān)研發(fā)工作的風(fēng)頭都被后二者搶去了。而隨著應(yīng)用需求的發(fā)展愈加明朗，未來對高功率器件的性能要求越來越高，這使得人們更深切地看到了氧化鎵的優(yōu)勢和前景，相應(yīng)的研發(fā)工作又多了起來，已成為美國、日本、德國等國家的研究熱點和競爭重點。而我國在這方面還是比較欠缺的。
一直以來，中國在β-Ga2O3晶體材料和器件方面的研究相對落后，尤其是功率器件的研究很少，關(guān)鍵原因是受限于大尺寸、高質(zhì)量β-Ga2O3晶體的獲得。
2017年8月，我國同濟大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院唐慧麗副教授、徐軍教授團隊采用自主知識產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)模法技術(shù)，成功制備出2英寸高質(zhì)量β-Ga2O3單晶。獲得的高質(zhì)量β-Ga2O3單晶，X射線雙晶搖擺曲線半高寬27″，位錯密度3.2×104cm-2，表面粗糙度<5A，該項研究成果將有力推動我國氧化鎵基電力電子器件和探測器件的發(fā)展。
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，可用于電動車的轉(zhuǎn)換器，能實現(xiàn)低功耗、低成本、小型輕量化。
今年早些時候，布法羅大學(xué)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。
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(shè)備。但它可能有助于調(diào)節(jié)大規(guī)模運營中的能量流，例如收獲太陽能和風(fēng)能的發(fā)電廠，以及電動汽車、火車和飛機等。但是，該研究還需要深入下去，以解決其導(dǎo)熱性差的缺點。
近期，日本情報通信研究機構(gòu)與東京農(nóng)工大學(xué)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。
相比而言，縱向幾何結(jié)構(gòu)能以更高的電流驅(qū)動，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)計的。開關(guān)“打開”時，N型摻雜，提供移動的載流子(電子)，用于攜帶電流;開關(guān)“關(guān)閉”時，P型摻雜，會啟動電壓阻斷。
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)計出一個Ga2O3晶體管。
據(jù)悉，縱向功率器件可以實現(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。
近期，美國佛羅里達大學(xué)、美國海軍研究實驗室和韓國大學(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?jié)摿?。傳統(tǒng)上，這些微型電子開關(guān)由硅制成，用于筆記本電腦、智能手機和其他電子產(chǎn)品。
對于像電動汽車充電站這樣的系統(tǒng)，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。為了實現(xiàn)這些先進的MOSFET，該團隊確定了需要改進柵極電介質(zhì)，以及更有效地從器件中釋放熱量的熱管理方法。