请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版
近日,佛罗里达大学、美国海军研究实验室(NRL)与韩国大学对氧化镓(Ga2O3)在电子器件应用的现状和潜在发展完成一篇全面的综述。[S. J. Pearton et al, J. Appl. Phys., vol124, p220901, 2018]
尽管Ga2O3半导体材料具有良好的射频性能以及高功率等许多优势(如图1所示),但同时还具有很多需要克服的障碍。作者认为,Ga2O3电子器件很可能对现有的硅(Si),碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术进行技术互补,比如Ga2O3在低频,高压领域(如AC-DC转换)会有良好的应用。

图1:显示了对功率半导体器件重要的关键材料(Si, SiC, GaN, Ga2O3)特性。

氧化镓是宽带隙半导体(~4.8eV,相比之下GaN的~3.4eV,SiC的3.3eV,Si的1.1eV),可以以可控的方式进行n型(电子)掺杂。宽带隙与高临界场相关联,使得其能够在击穿发生之前拥有更高的电压和功率密度。而对于Ga2O3来说,目前其击穿电压可高达3kV

Ga2O3另外一个优势在于它可以以较低的成本便可获得。这是由于我们可利用熔融氧化镓生长来生产出稳定的β多型体的晶体材料。它是硅熔体的晶体生长,可为主流电子产品提供高质量的基板。

图2:在电流和电压需求方面Si,SiC,GaN和Ga2O3功率电子器件的应用

该团队强调“功率调节系统,包括航空电子设备和电动船的脉冲功率,重型电动机的固态驱动器,以及先进的电源管理和控制电子设备”作为潜在应用(如图2所示)

氧化镓应用范围从实现可用到可靠的组件,最后再到可插入可持续市场基础设施等各个方面。但Ga2O3还是存在一个重要的直接缺点:它的导热率很低(10-30 W/m-K,对比SiC 330 W/m-K,GaN 130 W/m-K和Si 130 W/m-K),这在高功率密度应用中尤为凸显。其中热管理的方式包括将器件层转移到另一层热传导更多的基板上;将基板减薄;添加散热器;顶部热提取或使用风扇或液体流动的主动冷却等。

Ga2O3存在的另一个缺点就是缺乏p型掺杂机制。从理论上看,这可能会是一个影响其应用的根本问题。有文章曾指出:“由Ga2O3带结构的第一性原理计算可以预期,由于它的低迁移率而在Ga2O3中发生空穴自陷,这会降低有效的p型导电性。理论表明,所有的受体掺杂剂都会产生深的受主能级,而不能产生p型导电性。”目前仅在高温下才有任何p型电导率的报道,这可能与天然的Ga空位缺陷有关。

文章作者提出,建议将n-Ga2O3与其他具有p型导电性的半导体材料结合起来是可能的。 在这一方面,碘化铜,氧化铜和氧化镍是很好的选择。

该团队表示,目前离散功率器件的市场容量约为15-22亿。与从SiC概念到SiC器件商业化的超过35年的发展类比,他们提出属于Ga2O3市场的发展需要多长发展时间?

有文章评论道:“技术的发展,关键是要军事电子开发机构的持续关注。电力电子设备领域的历史表明,新技术大约每10-12年出现一次革新。然而,由于各种原因,旧技术仍会长期存在于市场中。Ga2O3可以补充SiC和GaN的电力电子器件市场,但却不会取代它们。“

该综述最后认为需要逐步提升Ga2O3在七个方面的发展:外延生长;欧姆接触;热稳定肖特基接触;增强模式(即常关)晶体管操作;动态导通电阻降低;工艺集成和以及过被动和主动冷却进行热管理。

文章翻译自semiconductor-today。更多详情请点击“阅读原文”进行了解。


路过

雷人

握手

鲜花

鸡蛋
返回顶部