氧化镓：超宽禁带半导体的新进展

AI驱动下的数据中心热潮或许终有一天会降温。但在资金持续涌入的当下，将AI加速器塞进19英寸机架的需求，正在深刻改变电力输送的方式。

几年前，在板卡级别直接从800V转换到12V似乎还不切实际。但随着机架级配电中的电阻损耗逐渐加剧，将电压维持在较高水平甚至接近负载端已变得至关重要。同时，还需要解决将数千瓦级电网交流电高效转换为直流配电电压的难题。

氮化镓和碳化硅等宽禁带半导体正在赋能这些变革。在服务器刀片旁的电源机架中，氮化镓供应商正在利用该材料以击穿电压换取极低导通电阻的特性。氮化镓之所以能在功率电子领域快速普及，受益于一个关键前提：大约20年前，功率应用领域开始认真考虑将氮化镓用于器件制造，从此启动了这条工艺成熟曲线，而今天的氮化镓正是沿着这条曲线走到了量产阶段。

即使数据中心热潮退去，当前开发的功率转换策略同样可迁移至直流微电网及工业级可再生能源场景，具备明确的技术复用价值。

对于更高电压的应用，另一种形式的镓——氧化镓——正在进入视野。氧化镓与金刚石和氮化铝同属超宽禁带材料家族，后两者近年来也受到越来越多的关注。它们的禁带宽度在5V范围——比氮化镓高出约1.5V。这一提升将导通电阻与击穿电压性能极限图中的理论极限进一步向左下方推远。在实际应用中，氧化镓的高压潜力正在吸引广泛关注，但其商业化的节奏将很大程度上取决于工程师如何解决其工艺问题，其过程将与过去二十年氮化镓和碳化硅的进展相似。

成本优势

康奈尔大学衍生公司Gallox Semiconductor将氧化镓定位为一种潜在的更低成本高压半导体方案。与氮化镓不同，氧化镓不需要叠层在硅、蓝宝石或其他衬底上。氧化镓可以像硅一样从熔体中生长，且成本远低于制造碳化硅晶圆，因为其工艺速度快得多。

美国国家可再生能源实验室2020年的一份报告估计，氧化镓晶圆的价格至少比碳化硅晶圆便宜三倍。

氧化镓体晶圆的可用性为垂直晶体管制造提供了基础，使其在高压场景中展现出结构上的先天优势。氧化镓生产的初始成本可能较高。与生长碳化硅所用的消耗性石墨坩埚不同，氧化镓需要由更昂贵的铱制成的坩埚。制造商需要开发一种工艺，既能高效回收贵金属，又能充分利用较低的能源成本。

图1：右图显示了硅、碳化硅和氧化镓在击穿电压和导通电阻方面的性能边界。左图展示了禁带宽度与最大电场强度（决定击穿电压）的关系。

氧化镓的弱点：热导率与高温退化

该材料的一大弱点在于较差的热导率，而且这种热导率并非恒定不变——热量在不同方向上的传导效果不同，尽管差异不大。碳化硅的热导率是氧化镓的十倍以上，结果就是产生大量的自热效应。

与碳化硅一样，氧化镓的熔点为1800°C，能够承受相当程度的热冲击。但这种承受能力是有限度的。实验表明，在超过400°C时电流会下降。更糟糕的是，击穿电压可能发生永久性退化，幅度高达60%。这可能与氧化镓与电接触所用金属之间界面不够干净有关。另一个因素可能是各层之间的材料在高温下开始扩散。

散热方案探索

世界各地的研究团队正在寻找克服氧化镓局限性的方法。布里斯托大学物理学教授Martin Kuball领导的团队提出的一种方案是将氧化镓与金刚石结合来改善散热。金刚石的导热性能大幅领先于电子学领域所采用的绝大多数材料。

金刚石可以简单地用作横向晶体管下方的散热片。布里斯托团队提出了一种更深入的集成方案——在垂直氧化镓部分之间设置金刚石柱，最初的设计借鉴了现有的硅超级结结构，用于肖特基二极管。超级结器件依靠多个平行“指状”结构将电流分散到许多并联的子器件上。金刚石切片将热量从阵列中导出并送入散热器。另一种方案是将氧化镓叠层在碳化硅衬底上。但由于这两种方案都会使生产成本更高，金刚石凭借其更优的性能可能胜出。

p型掺杂难题与双超级结方案

氧化镓还有另一个问题。n型掺杂很容易实现，但用于形成完整晶体管或二极管结构的互补p型掺杂已被证明很困难。这正是其他氧化物可能介入的地方。多个团队已采用氧化镍作为p型掺杂区的基础。西安电子科技大学研究人员在今年VLSI研讨会上描述的一种设计方案采用了双超级结结构。该布局将击穿电压提升至2.4kV，研究团队指出，这一设计有望实现高达8kV的阻断电压。双超级结是横向和垂直晶体管结构的混合体。电流从栅极下方的源极横向流动。但当电流到达漏极时，其行为更接近垂直器件——电流向上移动通过p型掺杂的氧化镍并穿过金属接触层。

图2：西安电子科技大学双超级结器件的横截面示意图。

和当年的氮化镓、碳化硅一样，氧化镓制造商首先需要跨越的，是晶体质量这道坎。与碳化硅中形成微柱的方式类似，氧化镓生长也可能出现空洞。氧化镓作为一种脆性材料，存在开裂风险。但如果选择异质衬底来调节热导率，开裂可能不会成为主要瓶颈。

尽管氧化镓在高压器件方面具备优势，但它面临的产业驱动力与当年的氮化镓不同——氮化镓受益于通信和快充等消费市场的大批量需求，推动了规模效应和成本下降，而氧化镓的专属市场体量仍有待验证。不过，它在更高压电路中的应用潜力，仍有望在电网级固态模块中占据一席之地。但如果要实现高性能必须与金刚石等特殊材料结合，氧化镓可能最终只能被局限在击穿电压上无法妥协的场景中，难以实现大规模扩散。

在高压端，氧化镓的一个潜在卖点来自北京大学团队近期发现的铁电行为——这使其有望在不依赖硅集成的情况下，将少量非易失性存储器嵌入更大器件中。而在低压端，氧化镓将面临垂直氮化镓器件的竞争。后者在提供与碳化硅相当的击穿电压的同时，导通电阻更低，目前多个团队已通过制备更厚的氮化镓层来支撑垂直晶体管结构。

与硅产业的发展规律一致，制造学习曲线的收益往往超过材料本身的固有优势。随着研究持续推进，氧化镓仍有望在电网级电压场景中提供更高效率的路径。

信息来源： new electronics

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