是時候了解氧化鎵了

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2022-03-18 01:11:15 6

在IEEE SPECTRUM中文版《科技縱覽》2002年5月刊中，已故的萊斯特?F.伊斯曼（Lester F. East-man）和烏梅什?K. 米什拉（Umesh K.Mishra）談到了當時功率半導體界的一項大膽技術：氮化鎵（GaN）。對于強大耐用的射頻放大器在當時新興的寬帶無線網絡、雷達以及電網功率切換應用中的使用前景，他們表達了樂觀的看法。他們稱氮化鎵器件為“迄今為止最堅固耐用的晶體管”。
伊斯曼和米什拉是對的。氮化鎵的寬帶隙（使束縛電子自由斷裂并有助于傳導的能量）和其他性質讓我們能夠利用這種材料承受高電場的能力，制造性能空前的器件。如今，氮化鎵是固態射頻功率應用領域無可爭議的*。它已經在雷達和5G無線技術中得到了應用，很快將在電動汽車的逆變器中普及。你甚至可以買到基于氮化鎵的USB壁式充電器，它們體積小且功率非常高。不過，還有比它更好的東西嗎？有能讓射頻放大器變得更強大更高效的裝置嗎？有能讓電力電子設備體積變得更小，讓飛機和汽車上使用的電子設備更輕、更小的裝置嗎？我們能找到帶隙更大的導電材料嗎？是的，我們可以。事實上，許多材料都有更大的帶隙，但量子力學的獨特性意味著，幾乎所有這些材料都不能用作半導體。不過，透明導電氧化物氧化鎵（Ga₂O₃）是一個特例。這種晶體的帶隙近5電子伏特，如果說氮化鎵（3.4eV）與它的差距為1英里，那么硅（1.1eV）與它的差距則好比一個馬拉松。金剛石和氮化鋁的帶隙更大，但它們不具備氧化鎵所具備的幸運特性，氧化鎵有助于制造價格低廉但功能強大的器件。一種材料僅僅有寬帶隙是不夠的。所有的電介質和陶瓷都有寬帶隙，否則它們就不會被用作絕緣體了，而氧化鎵有一組獨特的特性，它可以作為功率切換和射頻電子器件的半導體從而發揮巨大作用。它的特點之一是，通過摻雜的方法，可以在氧化鎵中加入電荷載流子，使其更具導電性。摻雜包括向晶體添加一定量的雜質，以控制半導體中載流子的濃度。對于硅，可以使用離子注入法，然后退火處理，在晶體中摻雜磷（以添加自由電子）或硼（以減去自由電子），從而使電荷能夠自由移動。對于氧化鎵，可以用同樣的方法在晶體中摻雜硅來添加電子。如果在任何其他寬帶隙氧化物中這樣做，結果可能是破碎的晶體和晶格斑點，這樣的話電荷會被卡住。氧化鎵能夠適應通過“離子注入”標準工藝添加以及外延生長（沉積額外的晶體）過程中添加的摻雜劑，因此我們能夠借用各種各樣的既有商業光刻和加工技術。借助這些方法，精確定義幾十納米的晶體管尺寸和產生各種各樣的器件拓撲結構變得相對簡單。其他寬帶隙的半導體材料不具備這種難以置信的有用特性，甚至氮化鎵也不例外。氧化鎵的另一個優點是，實際上很容易根據需要制造氧化鎵晶體大晶圓。雖然氧化鎵晶體有幾種類型，但最穩定的是β，其次是ε和α。其中，有關β-氧化鎵的綜合性質的研究最多，這主要得益于日本筑波的日本*材料科學研究所和柏林萊布尼茨晶體研究所的開拓性工作。β-氧化鎵特別有趣的一點是，它具備*的熱穩定性，因此可以使用大量的商業技術來制造，包括用于制造硅片的提拉法。此外，也可以使用“邊緣定義、薄膜饋電晶體生長”技術來生產β-氧化鎵晶圓，雜貨店結賬用的條形碼掃描儀上的藍寶石窗口就是這樣制造的。如今，甚至可以使用可高度擴展的垂直坩堝下降（Bridgman-Stockbarger）技術生長晶體。 55bda3d0152eaf8986070ad29aa96a38

這與其他寬帶隙半導體的區別，怎么夸張都不過分。除碳化硅（SiC）以外，其他所有新興寬帶隙半導體根本沒有大尺寸半導體基底可供生長大晶體。這意味著它們必須生長在另一種材料盤中，而這是有代價的。例如，氮化鎵通常依靠復雜的工藝在硅、碳化硅或藍寶石基底上生長。不過，這些基底的晶體結構明顯不同于氮化鎵的晶體結構，這種差異會造成基底和氮化鎵之間的“晶格失配”，從而產生大量缺陷。這些缺陷會給生產的設備帶來一系列問題。氧化鎵由于作為自己的基底，所以不存在不匹配的情況，也就沒有缺陷。日本埼玉的諾維晶科技術公司已經開發出150毫米的β-氧化鎵晶圓。

日本*信息與通信技術研究所（NICT，位于東京）的東脅正高（Masataka Higashiwaki）是*個發現β-氧化鎵在電源開關中的潛力的人。2012年，他的團隊報告了*單晶β-氧化鎵晶體管，震驚了整個半導體器件界。這是一種名為“金屬半導體場效應晶體管”的器件。它有多好呢？擊穿電壓是功率晶體管的關鍵指標之一，達到這個臨界點，半導體阻止電流流動的能力就會崩潰。東脅研究的開創性晶體管的擊穿電壓大于250伏。相比之下，氮化鎵花了近20年的時間才達到這一水平。

在東脅的開創性研究中，他還介紹了由于使用高臨界電場強度的材料而大幅降低功率損耗的情況。電場強度以Ec表示，是氧化鎵真正的超能力。簡單地說，如果在兩個導體之間放置一種材料，把電壓調高，那么Ec就是該材料開始導電的電場，而且導電能力很強，有時會帶來災難性后果。硅的臨界電場強度通常為每厘米幾百千伏，而氧化鎵的臨界電場強度為每厘米8兆伏。 91ca3cbfcca328f25f72b0e504422958

非常高的Ec對理想的功率開關晶體管而言至關重要。理想情況下，設備會在兩種狀態之間即時切換：一直導通，在沒有電阻的情況下導電；一直斷開，處于完全不導電的狀態。這兩種不可能的極端意味著兩種截然不同的器件幾何結構。對于關斷狀態，晶體管的源極和漏極之間需要有一個較厚的材料區域，以防止導通和阻止大電壓。對于導通狀態，則需要一個無限薄的區域，使之沒有電阻。

當然，兩者不可兼得。材料的臨界電場強度決定了在關閉狀態下，這個區域到底能有多薄。 “巴利加優值”是低頻功率開關半導體的關鍵指標，它以IEEE榮譽勛章獲得者B.賈揚特?巴利加（B.Jayant Baliga）的名字命名。本質上，它表示的是器件的輸出在高電壓下對輸入信號細節的再現程度。對于在千赫茲范圍的頻率下作為開關工作的晶體管而言，這是一個非常重要的特性。這類器件多見于多千伏級變電站設備、醫學成像用的高能光子發生器以及電動汽車和工業電機驅動器的功率逆變器中。在這類應用中，氧化鎵有一個天然優勢。在這些頻率下，優值與臨界電場強度的立方成正比。所以，Ec高意味著優值好。數學運算背后的事實是：這種開關大部分時間里要么處于完全接通的狀態，要么完全關閉，很少會在兩者之間切換。因此，大部分功率損耗僅僅來自設備開啟時的電流阻力。Ec值高，則可以使用更薄的器件，這意味著阻力更小。東脅的研究傳達出的信息很簡單：可以使用強力高電場強度來實現低頻時損耗很少的高壓開關。其他團隊很快就明白了這一點。2013年，研究人員研發了擊穿電壓為370伏的金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。2016年，當時在NICT東脅團隊工作的王文海（Man Hoi Wong，音）利用一種名為“場鍍”（field plating）的附加結構將擊穿電壓提高到了750伏。在這些器件中，氧化鎵實現高工作電壓相對容易，這一成績相當顯著；僅僅幾年，這種材料的研究就取得了長足進步，而氮化鎵的研究則花了幾十年的時間。 13557dda65a1141900288accf33ca3e5

不過，在更快的開關電源應用中，氧化鎵是否有用？Ec在這里也很重要，這可能會給氧化鎵帶來很大的優勢。在更高的頻率下，比如100千赫茲到1兆赫，與接通或關閉狀態相比，器件花費在切換上的時間將成比例地增加。開關過程中的損耗等于器件的電阻與開關切換時晶體管柵極上所需積聚電荷的乘積。從數學計算來看，這意味著損耗與臨界電場強度的平方成正比，而不是與立方成正比（就像低頻時一樣）。

從手機充電器這種簡單物件中，我們就可以看到更快的供電切換速度的好處。開關電源的工作原理是首先將墻上插頭的交流電壓進行整流，然后將其斬波為高頻信號。變壓器將電壓降至所需水平，最后對信號進行整流和濾波。該系統中最龐大的部分是變壓器和其他無源元件，只有提高頻率才能使用更小的元件。如果需要更高的頻率，那么帶隙更寬和臨界電場更高的半導體有助于更有效地實現目標，同時還能簡化散熱。例如，一個1200伏的硅逆變器在20千赫的頻率下切換的功率約為3千瓦。在150千赫的頻率下切換時，相同功率的碳化硅逆變器可以在更高的溫度下在尺寸僅為1/3的封裝中工作。基于氧化鎵的類似逆變器能夠以接近兆赫的頻率在相同的高溫下工作，并且尺寸還可以再小一半（雖然需要尚未發明的磁性元件）。因此，氧化鎵等材料的真正電子性能來自于充分利用其臨界電場強度，但這個臨界電場強度值到底是多少呢？直到2015年，尚無團隊給出這種材料可實現場強的真實數字。和其他器件一樣，初步結果遠未達到理論極限。在俄亥俄州萊特帕特森空軍基地的美國空軍研究實驗室（AFRL）工作時，我和我的同事接受了這個挑戰。我們遇到的*個問題是，任何使用具有如此高場強的材料制成的器件，都有可能超過可用測試設備的極限。原則上，2微米的材料可以阻擋1.5千伏以上！因此，我們建造了一個簡單的MOSFET，縮小了它的幾何結構，以適合更低的電壓；柵極和漏極之間的間隙（電場最高的位置）只有600納米。這樣做，部分是為了更便捷地測量Ec的峰值，也因為我們希望能在射頻頻率下測試器件（因為更大型的高壓設計不允許這樣做）。在這個早期研究中，晶體管能夠承受230伏電壓，這是射頻測試設備的極限。由此產生的平均電場至少為每厘米3.8兆伏，而模擬表明內部電場峰值至少為每厘米5.3兆伏。相較于完整的每厘米8兆伏，*次嘗試的時候就測到了如此大的一部分，對此我們感到很驚訝！這是*通過試驗證明氧化鎵的Ec值大于氮化鎵的理論值（約為每厘米3.3兆伏）。客觀來說，一個額定電壓為600伏的類似氮化鎵功率晶體管的柵極-漏極間隙通常為15到20微米，而我們的是600納米。取得這個結果之后，功率開關晶體管的研究開始以驚人的速度發展。2017年，我們制造了擊穿電壓大于600伏的MOSFET。2018年初，采用不同幾何結構的MOSFET實現了達到或超過硅的理論極限的高頻損耗值。此外，我們現在有了明確的方向，可以在未來幾年內達到或超過最先進的氮化鎵值。

2015年，在測量功率開關的Ec時，我們還推測，同樣地在更小的器件中允許更高的電場，氧化鎵可能會在射頻電路中取得類似成功。不過那時我們缺少一個關鍵信息，即還沒有關于材料中的電子速度與電場的函數關系的公開數據。

在用于放大射頻信號的晶體管中，電子速度尤其重要。對射頻技術來說，高功率輸出和高頻率是目標，約翰遜優值（JFOM）對此進行了總結。約翰遜優值表明，射頻晶體管的功率和頻率的乘積與半導體材料中載流子的最大速度和Ec的乘積直接成正比。其中的關鍵在于，在射頻晶體管中，只有當載流子能夠在射頻波形的極性轉換之前從源極一路到達漏極，才能實現放大。發生這種情況的最高頻率稱為“統一電流增益頻率”（fT）。此處，氧化鎵的高臨界電場再次發揮作用，因為你可以縮小臨界距離，同時仍然提供強大的電場來加速電子使其達到最高速度。 2017年，我們在美國空軍研究實驗室成功研發了*亞微米級的氧化鎵射頻MOSFET。這些器件一開始的數據就令人印象深刻，雖然這些數據與氮化鎵的數據不是一個級別。它們的統一電流增益頻率為3千兆赫，最大振蕩頻率為13千兆赫；800兆赫時，輸出功率密度為每毫米230毫瓦。之后，美國空軍研究實驗室還展示了1千兆赫時，脈沖射頻功率輸出密度超過每毫米500毫瓦的情況，最大振蕩頻率接近20千兆赫。更令人鼓舞的是，大約在同一時期，布法羅大學的克里什內杜?戈什（Krishnendu Ghosh）和烏塔姆?辛吉塞蒂（Uttam Singisetti）發表了理論計算結果，表明氧化鎵的JFOM明顯優于氮化鎵。自2017年*展示其射頻性能以來，射頻氧化鎵技術取得的最顯著的進步是斯里拉姆?里希納穆爾蒂（Sriram Krishnamoorthy）以及他與俄亥俄州立大學的希達思?拉詹（Siddharth Rajan）團隊研發的新型摻雜技術和經過改進的摻雜技術。這些技術借鑒了硅技術，在使用這些技術生產的半導體中，發生導電的材料片中的電阻非常低，大約為每平方300歐姆（這就是正確的單位）。這和氮化鎵器件中的水平相當。得到這一結果后不久，拉詹和加州大學圣芭芭拉分校的研究人員獨立研發了類似高電子遷移率晶體管（HEMT）的氧化鎵。這類器件通常由砷化鎵（GaAs）或氮化鎵制成，是手機和衛星電視接收器的重要射頻支柱。這類器件不是通過體半導體的摻雜溝道導電，而是通過在兩個帶隙不同的半導體之間的尖銳界面上形成的二維電子氣來導電。這種情況中的半導體是氧化鋁鎵和氧化鎵，與智能手機中的商用砷化鋁鎵/砷化鎵HEMT技術完全相似。這些關鍵突破有利于射頻器件的縱向和橫向擴展。盡管這些發展很有前景，但氧化鎵不太可能挑戰砷化鎵或氮化鎵在所有射頻應用中的地位。了解到它本質上是一款很好的開關后，我們希望它在開關模式放大器（如D類、E類，或F類）中具備優勢。在這些放大器中，該器件運行時的導通電阻非常低，并且可以利用低電流、高擊穿電壓特性來實現非常高的效率。另一方面，要求低阻抗和高電流的器件應用將青睞氮化鎵，主要是因為其載流子遷移率和載流子密度較高。

那么，氧化鎵有什么缺點？這種材料的致命弱點在于它的導熱性不佳。事實上，在所有可用于射頻放大或功率切換的半導體中，它的導熱性最差。氧化鎵的熱導率只有金剛石的1/60，碳化硅（高性能射頻氮化鎵的基底）的1/10，約為硅的1/5。（有趣的是，它可以媲美主要射頻材料砷化鎵。）低熱導率意味著晶體管中產生的熱量可能會停留，有可能極大地限制器件的壽命。

不過，在放棄它之前，需要考慮以下問題：由于材料會對器件產生影響，因此要得到有關其熱導率的真實同類比較結果，我們需要將它標準化為材料處理功率的能力。換言之，要除以Ec才能準確比較實際器件中的預期熱問題。由此我們會發現，每種帶隙比硅大的半導體（甚至是金剛石）在充分發揮其潛能時，都有散熱問題。雖然這一事實對氧化鎵而言于事無補，但它能推動我們努力尋找更好的散熱方法。
例如，日本*信息與通信技術研究所東京實驗室的研究人員將p型多晶碳化硅粘合到了薄約10微米的氧化鎵晶圓的背面，大大提高了器件的熱阻。美國空軍研究實驗室的研究人員發現，在某些器件的拓撲結構中，幾乎所有的熱量都是在材料頂部1微米處產生的，因此他們模擬了接觸電極和使用介質填料將熱量分流到散熱器的效果，并取得了較好的結果。這也是目前商用砷化鎵異質結雙極晶體管中使用的辦法。因此，盡管氧化鎵存在熱量方面的挑戰，但聰明的工程設計能夠克服該問題。 6520b4533e3bf70a9966215ba0ad9e51

另一個更基本的問題是，我們只能讓氧化鎵傳導電子而不能實現空穴導電。從來沒有人能用氧化鎵制造*的p 型導體。此外，令人沮喪的是，這種材料的基本電子特性使其在這方面希望渺茫。特別是，這種材料的能帶結構的價帶部分不具有空穴傳導的形狀。因此，即使有一種摻雜劑能使受體處于正確能級，所產生的空穴也會在它幫助傳導之前困住自己。理論和數據如此一致時，很難找到辦法解決這個問題。

雖然這一弱點確實帶來了更多挑戰，但它并非阻礙。許多所謂的僅限于大多數運營商的設備也取得了商業成功，比如USB-C壁式充電器。氧化鎵器件技術的研究階段剛剛開始達到臨界規模，我們正在規劃快速開關、多千伏級功率晶體管和射頻器件的應用空間。如今，經常有新的千伏級器件被研發出來。幾十納米臨界尺寸的射頻晶體管即將問世。我非常希望隨著這項技術的發展，我們能夠實現以前在任何其他材料中都無法實現的器件拓撲結構。

當然，在發展的道路上我們會打破一些東西（主要是電介質），但這就是顛覆性技術的定義。我們用已知的東西來換取潛在的性能，而目前，氧化鎵的性能潛力遠遠大于其問題。

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