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      功率半導體氧化鎵到底是什么?

      2020-12-10 10:30:31

      目前,以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第三代化合物半導體受到的關注度越來越高,它們在未來的大功率、高溫、高壓應用場合將發揮傳統的硅器件無法實現的作用。特別是在未來三大新興應用領域(汽車、5G和物聯網)之一的汽車方面,會有非常廣闊的發展前景。

      然而,SiC和GaN并不是終點,zui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,該種化合物半導體在更高功率的應用方面具有獨特優勢。因此,近幾年關于氧化鎵的研究又熱了起來。

      功率半導體氧化鎵到底是什么?

      實際上,氧化鎵并不是很新的技術,多年前就有公司和研究機構對其在功率半導體領域的應用進行鉆研,但就實際應用場景來看,過去不如SiC和GaN的應用面廣,所以相關研發工作的風頭都被后二者搶去了。而隨著應用需求的發展愈加明朗,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勢和前景,相應的研發工作又多了起來,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。

      研究進展

      高質量β-Ga 2O 3晶體

      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,關鍵原因是受限于大尺寸、高質量β-Ga2O3晶體的獲得。

      2017年8月,我國同濟大學物理科學與工程學院唐慧麗副教授、徐軍教授團隊采用自主知識產權的導模法技術,成功制備出2英寸高質量β-Ga2O3單晶。獲得的高質量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展。

      α- Ga2O3

      α-Ga2O3是京都大學藤田靜雄教授全球首次開發成功的單結晶合成材料,可用于電動車的轉換器,能實現低功耗、低成本、小型輕量化。

      氧化鎵MOSFET

      今年早些時候,布法羅大學工程與應用科學學院電氣工程副教授Uttam Singisetti博士和他的學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,比氧化鎵半導體的記錄增加了一倍多。擊穿電壓是將材料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。

      功率半導體氧化鎵到底是什么?

      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中的能量流,例如收獲太陽能和風能的發電廠,以及電動汽車、火車和飛機等。但是,該研究還需要深入下去,以解決其導熱性差的缺點。

      縱向 Ga2O3功率器件

      近期,日本情報通信研究機構與東京農工大學演示了一種“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晶體管的開發集中于研究橫向幾何結構。然而,由于器件面積較大、發熱帶來的可靠性問題、表面不穩定性,橫向器件不容易經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,不必增加芯片尺寸,從而簡化了熱管理??v向晶體管開關的特性,是通過向半導體中引入兩種雜質(摻雜劑)來設計的。開關“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“關閉”時,P型摻雜,會啟動電壓阻斷。

      功率半導體氧化鎵到底是什么?

      Masataka Higashiwaki領導的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*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,設計出一個Ga2O3晶體管。

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

      熱管理方法研究

      近期,美國佛羅里達大學、美國海軍研究實驗室和韓國大學的研究人員也在研究氧化鎵MOSFET。佛羅里達大學材料科學與工程教授Stephen Pearton表示,它們正在研究氧化鎵作為MOSFET的發展潛力。傳統上,這些微型電子開關由硅制成,用于筆記本電腦、智能手機和其他電子產品。

      對于像電動汽車充電站這樣的系統,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。為了實現這些先進的MOSFET,該團隊確定了需要改進柵極電介質,以及更有效地從器件中釋放熱量的熱管理方法。

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      氧化鎵氧化銦


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