در ماه مه ۲۰۰۲، لستر اف. ایستمن و اومش کی. میشرا در مورد یک فناوری توسعه بلندمدت در زمینه نیمه‌هادی‌های قدرت در آن زمان نوشتند:نیترید گالیوم (GaN).  
در آن مقاله، آنها در مورد چشم‌انداز نیترید گالیوم در شبکه‌های بی‌سیم پهن‌باند نوپا، رادار و کاربردهای سوئیچینگ برق برای شبکه‌های برق ابراز خوش‌بینی کردند. آنها همچنین از دستگاه‌های GaN به عنوان«مقاوم‌ترین ترانزیستوری که تاکنون ساخته شده است».  
حق با آنهاست. شکاف باند وسیع GaN (انرژی مورد نیاز برای شکستن الکترون‌های مقید و تسهیل رسانایی) و سایر ویژگی‌های آن به ما این امکان را می‌دهد که از تحمل میدان الکتریکی بالای این ماده بهره‌برداری کنیم و دستگاه‌هایی با عملکرد بی‌سابقه را ممکن سازیم.  
امروزه، GaN قهرمان بلامنازع کاربردهای توان RF حالت جامد است که در حال حاضر در رادار، بی‌سیم 5G و به زودی در مبدل‌های توان مورد استفاده در وسایل نقلیه الکتریکی رایج خواهد شد. اکنون، حتی می‌توانید شارژرهای USB طراحی شده بر اساس دستگاه‌های GaN را خریداری کنید که در اندازه جمع و جور خود، سطوح توان بسیار بالایی را ارائه می‌دهند.  
با این حال، حتی اگر چنین باشد، ما هنوز می‌پرسیم، آیا چیزی بهتر از GaN وجود دارد؟ آیا کاری می‌توان انجام داد تا یک تقویت‌کننده RF قدرتمندتر و کارآمدتر شود؟ آیا چیزی وجود دارد که بتواند الکترونیک قدرت را حتی بیشتر کوچک کند و بار هواپیماها و اتومبیل‌ها را بیشتر کاهش دهد؟ آیا می‌توانیم موادی با شکاف‌های نواری بزرگتر پیدا کنیم که همچنان بتوانند الکتریسیته را هدایت کنند؟  
همانطور که معلوم است، پاسخ مثبت است.  
در واقع، موادی با شکاف‌های باند زیاد در بازار وجود دارند، اما ویژگی خاص مکانیک کوانتومی به این معنی است که اکثر آنها به سختی می‌توانند به عنوان نیمه‌هادی استفاده شوند. با این حال، یک نامزد قانع‌کننده وجود دارد: اکسید گالیوم اکسید رسانای شفاف (Ga2O3).  
اکسید گالیوم با شکاف نواری وسیع خود که تقریباً 5 الکترون‌ولت است، 3.4 الکترون‌ولت از GaN جلوتر است و در مقایسه با سیلیکون (1.1 الکترون‌ولت)، این اختلاف به اندازه یک ماراتن است. می‌دانیم که الماس و نیترید آلومینیوم نیز شکاف‌های نواری بزرگی دارند، اما خواص Ga2O3 را ندارند، که مجموعه‌ای از خواص مفید است که می‌توان از آن برای ساخت دستگاه‌های ارزان اما قدرتمند استفاده کرد.  
کافی نیست که یک ماده شکاف باند پهن داشته باشد، زیرا اگر چنین باشد، همه دی‌الکتریک‌ها و سرامیک‌ها می‌توانند این کار را انجام دهند، به همین دلیل است که آنها فقط می‌توانند به عنوان عایق استفاده شوند. اما اکسید گالیوم ترکیبی منحصر به فرد از ویژگی‌ها دارد که می‌تواند آن را به عنوان یک کاندیدای ماده برای سوئیچ‌های قدرت و الکترونیک RF بسیار مفید کند.  
   

تصویر: IEEE Spectrum منبع: «پیاده‌سازی Ga2O3 برای کاربردهای الکترونیک قدرت» ارائه شده توسط گرگ اچ. جسن و همکاران در هفتاد و پنجمین کنفرانس سالانه تحقیقات دستگاه (DRC).

در میان پنج ویژگی حیاتی برای نیمه‌رساناها، قدرت میدان الکتریکی بحرانی بالا بزرگترین مزیت اکسید بتا گالیوم است. این می‌تواند به ایجاد سوئیچ‌های ولتاژ بالا کمک کند و می‌تواند به این معنی باشد که می‌توان دستگاه‌های RF قدرتمندی را بر اساس آنها طراحی کرد. با این حال، بزرگترین عیب اکسید بتا گالیوم، رسانایی حرارتی پایین آن است، به این معنی که گرما می‌تواند در داخل دستگاه به دام بیفتد.  
همچنین، یکی از ویژگی‌های خوب اکسید گالیوم این است که می‌توانید از طریق فرآیندی به نام آلایش، حامل‌های بار را به آن اضافه کنید تا رسانایی آن را افزایش دهید. آلایش شامل اضافه کردن مقادیر کنترل‌شده‌ای از ناخالصی‌ها به یک کریستال برای کنترل غلظت حامل‌های بار در نیمه‌رسانا است. به عنوان مثال، در سیلیکون، می‌توانید از کاشت یونی و به دنبال آن عملیات حرارتی برای آلایش کریستال با فسفر (اضافه کردن الکترون‌های آزاد) یا بور (کم کردن آنها) استفاده کنید و به بارها اجازه دهید آزادانه در داخل آن حرکت کنند. در Ga2O3 نیز الکترون‌ها را به روش مشابهی اضافه می‌کنید.  
اما اگر سعی کنید از این رویکرد با سایر اکسیدهای با شکاف باند وسیع استفاده کنید، در نهایت با کریستال‌های خرد شده و نقاطی در شبکه که بارها در آنها گیر می‌کنند، مواجه خواهید شد.  
سازگاری اکسید گالیوم با افزودن ناخالصی‌ها از طریق فرآیندهای استاندارد (به نام کاشت یون) و همچنین در طول رشد اپیتاکسیال (رسوب کریستال‌های اضافی) به ما این امکان را می‌دهد که از تعدادی از فناوری‌های لیتوگرافی و پردازش تجاری تثبیت‌شده الهام بگیریم. این روش‌ها، تعریف دقیق ابعاد ترانزیستور در حد ده‌ها نانومتر و تولید انواع توپولوژی‌های دستگاه را نسبتاً آسان می‌کنند. با این حال، سایر مواد نیمه‌هادی با شکاف‌های باند پهن، این ویژگی فوق‌العاده مفید را ندارند. حتی GaN نیز نمی‌تواند این کار را انجام دهد.  
یکی دیگر از مزایای اکسید گالیوم این است که، با توجه به این موارد، ساخت ویفرهای سیلیکونی بزرگ از Ga2O3 کریستالی در واقع بسیار آسان است. اگرچه انواع مختلفی از کریستال‌های Ga2O3 وجود دارد، پایدارترین آنها β نامیده می‌شود و پس از آن ε و α قرار دارند. در میان آنها، β-Ga2O3 بیشترین تحقیقات کلی را به خود اختصاص داده است، که عمدتاً به دلیل تلاش‌های مؤسساتی مانند مؤسسه ملی علوم مواد در تسوکوبا، ژاپن و مؤسسه لایبنیتز برای کریستال‌زوختونگ در برلین است.  
جذاب‌ترین جنبه‌ی β-Ga2O3 پایداری حرارتی آن است که امکان تولید آن را با استفاده از تعدادی از تکنیک‌های پرکاربرد، از جمله روش Czochralski برای ساخت ویفرهای سیلیکونی، فراهم می‌کند. ما همچنین می‌توانیم از یک تکنیک رشد کریستال به نام edge-defined, film-fed استفاده کنیم. امروزه، کریستال‌ها حتی می‌توانند با استفاده از تکنیک Bridgman-Stockbarger عمودی با مقیاس‌پذیری بالا رشد کنند.  
اغراق در مورد تفاوت این وضعیت با سایر نیمه‌رساناهای با شکاف باند وسیع دشوار است. با این حال، از دیدگاه فعلی، به جز کاربید سیلیکون (SiC)، اکثر نیمه‌رساناهای با شکاف باند وسیع نوظهور، زیرلایه‌های بزرگی ندارند که بتوان کریستال‌های بزرگ را روی آنها رشد داد. این بدان معناست که آنها باید روی دیسکی از ماده دیگری رشد کنند که هزینه‌بر است. به عنوان مثال، نیترید گالیوم معمولاً در یک فرآیند پیچیده روی زیرلایه‌های سیلیکون، کاربید سیلیکون یا یاقوت کبود رشد می‌کند. اما ساختار کریستالی این زیرلایه‌ها آشکارا با ساختار GaN متفاوت است و این تفاوت می‌تواند "عدم تطابق شبکه‌ای" بین زیرلایه و GaN ایجاد کند و منجر به تعداد زیادی نقص شود. این نقص‌ها مشکلات زیادی را برای تجهیزات تولید شده ایجاد کرده است. از آنجا که Ga2O3 به عنوان زیرلایه خود عمل می‌کند، هیچ عدم تطابقی وجود ندارد و بنابراین هیچ نقصی وجود ندارد. شرکت Novel Crystal Technology ژاپن، β-Ga2O3 با قطر ۱۵۰ میلی‌متر را به نمایش گذاشته است.  
موسسه فناوری اطلاعات و ارتباطات ژاپن (NICT)ماساتاکا هیگاشیواکیاو اولین کسی بود که به پتانسیل β-Ga2O3 در کاربردهای سوئیچینگ قدرت پی برد. در سال ۲۰۱۲، او پس از گزارش گروه تحقیقاتی‌اش مبنی بر اولین ترانزیستور تک کریستالی β-Ga2O3، کل حوزه دستگاه‌های قدرت را شوکه کرد. این محصول چقدر خوب است؟ به عنوان مثال، یکی از مشخصات کلیدی ترانزیستور قدرت، ولتاژ شکست است، نقطه بحرانی که در آن توانایی نیمه‌هادی برای متوقف کردن جریان از بین می‌رود. ولتاژ شکست ترانزیستور پیشگام معرفی شده توسط هیگاشیواکی بیش از ۲۵۰ ولت است. برای مقایسه، GaN تقریباً دو دهه طول کشید تا به این دستاورد دست یابد.  
هیگاشیواکی در کار بنیادین خود توضیح داد که آنها همچنین با استفاده از ماده‌ای با قدرت میدان الکتریکی بحرانی بالا، تلفات توان دستگاه را به میزان قابل توجهی کاهش داده‌اند. این ویژگی که با نام Ec شناخته می‌شود، ابرقدرت واقعی اکسید گالیوم است.  
به عبارت ساده، اگر ماده‌ای را بین دو رسانا قرار دهید و ولتاژ را افزایش دهید، Ec میدان الکتریکی است که در آن ماده شروع به هدایت الکتریسیته می‌کند. بسیاری از اوقات، این ولتاژ می‌تواند نتایج فاجعه‌باری به همراه داشته باشد. قدرت میدان بحرانی سیلیکون معمولاً صدها کیلوولت بر سانتی‌متر اندازه‌گیری می‌شود، در حالی که قدرت میدان بحرانی Ga2O3 8 مگاولت بر سانتی‌متر است.  
 

تصویر: آزمایشگاه تحقیقات نیروی هوایی

قهرمان ولتاژ بالا: این ترانزیستور اکسید گالیوم که در تصویر بالا نشان داده شده است (در بالا با دو بزرگنمایی (a و b) و در مقطع عرضی (c) نشان داده شده است) ولتاژهای بالای 200 ولت را تنها در 600 نانومتر حفظ می‌کند.

وقتی به ترانزیستورهای سوئیچینگ قدرت ایده‌آل فکر می‌کنید، داشتن E بسیار بالا یکی از بزرگترین جذابیت‌ها است. در حالت ایده‌آل، دستگاه فوراً بین دو حالت تغییر می‌کند: همیشه روشن (هدایت بدون مقاومت) و همیشه خاموش (اصلاً هیچ هدایتی وجود ندارد). این دو حالت، دو هندسه دستگاه بسیار متفاوت دارند. برای حالت خاموش، باید یک لایه ضخیم‌تر از ماده بین منبع و تخلیه ترانزیستور قرار دهید تا از هدایت جلوگیری کرده و ولتاژهای بالا را مسدود کنید. برای حالت روشن، به یک ناحیه بی‌نهایت نازک نیاز دارید تا هیچ مقاومتی نداشته باشد.  
البته، شما نمی‌توانید هر دو را داشته باشید. قدرت میدان الکتریکی بحرانی ماده تعیین می‌کند که ناحیه مورد نظر چقدر می‌تواند نازک شود تا همچنان بسته باقی بماند.  
شاخص کلیدی نیمه‌هادی‌های سوئیچینگ توان با فرکانس پایین، شاخص شایستگی بالیگا نامیده می‌شود که به نام برنده مدال افتخار IEEE، بی. جایانت بالیگا، نامگذاری شده است. اساساً، این شاخص نشان می‌دهد که خروجی دستگاه چقدر خوب جزئیات سیگنال ورودی را در ولتاژهای بالا بازتولید می‌کند. این یک ویژگی بسیار مهم برای ترانزیستورهایی است که به عنوان سوئیچ در فرکانس‌های تا محدوده کیلوهرتز عمل می‌کنند. چنین دستگاه‌هایی در تجهیزات پست‌های چند کیلوولتی، ژنراتورهای فوتون پرانرژی برای تصویربرداری پزشکی و اینورترهای توان برای وسایل نقلیه الکتریکی و درایوهای موتور صنعتی یافت می‌شوند.  
برای همه این کاربردها و موارد دیگر، Ga2O3 مزایای طبیعی دارد. در این فرکانس‌ها، ضریب کیفیت متناسب با مکعب میدان الکتریکی بحرانی است. چنین Ec بالایی به معنای شاخص شایستگی خوبی است.  
پشت این محاسبات، این واقعیت نهفته است که این سوئیچ بیشتر وقت خود را یا کاملاً روشن یا کاملاً خاموش می‌گذراند و زمان بسیار کمی را صرف سوئیچینگ بین این دو می‌کند. بنابراین بیشتر اتلاف توان فقط جریان از مقاومت تا زمانی است که دستگاه روشن می‌شود. وقتی Ec بالا باشد، می‌توان از دستگاه‌های نازک‌تری استفاده کرد که به معنی مقاومت کمتر است.  
پیام کار هیگاشیواکی ساده است: شما می‌توانید از میدان‌های الکتریکی قوی با قدرت بالا برای دستیابی به سوئیچینگ ولتاژ بالا استفاده کنید که در فرکانس‌های پایین توان کمی را از دست می‌دهد. گروه‌های تحقیقاتی دیگر نیز به زودی این پیام را دریافت کردند. تا سال ۲۰۱۳، محققان یک ترانزیستور اثر میدانی (MOSFET) از جنس اکسید فلز-نیمه‌هادی با ولتاژ شکست ۳۷۰ ولت را نشان دادند. در سال ۲۰۱۶، مان هوی وانگ، که در آن زمان عضوی از گروه هیگاشیواکی NICT بود، از یک ساختار اضافی به نام آبکاری میدانی برای افزایش ولتاژ به بالای ۷۵۰ ولت استفاده کرد. در میان این دستگاه‌ها، سهولت نسبی که Ga2O3 می‌تواند با آن به ولتاژهای عملیاتی بالاتر دست یابد، واقعاً قابل توجه است. تحقیقات در مورد مواد تنها در عرض چند سال راه درازی را پیموده است، در حالی که برگ GaN دهه‌ها طول کشید.  
آیا Ga2O3 در کاربردهای منبع تغذیه سوئیچینگ سریع مفید خواهد بود؟ این نکته دیگری است که همه به آن توجه می‌کنند. باید تأکید کرد که Ec نیز در اینجا بسیار مهم است و می‌تواند مزایای زیادی برای Ga2O3 به همراه داشته باشد.  
در فرکانس‌های بالاتر (مانند ۱۰۰ هرتز تا ۱ مگاهرتز)، مدت زمان روشن و خاموش شدن یک دستگاه به طور متناسب افزایش می‌یابد. تلفات در حین سوئیچینگ، حاصلضرب مقاومت دستگاه و میزان باری است که برای سوئیچ کردن باید روی گیت ترانزیستور جمع شود. با انجام محاسبات، این بدان معناست که تلفات متناسب با مربع قدرت میدان الکتریکی بحرانی است، نه مکعب آن در فرکانس‌های پایین.  
    تصویر: آزمایشگاه تحقیقات نیروی هوایی  
تصویر بالا اکسید گالیوم را نشان می‌دهد.پتانسیل کاربرد RF،بخش کوچکی (ذاتی) از این ترانزیستور RF اکسید گالیوم اولیه برای عملکرد آن مهم بود. کاهش مقاومت انگلی در دستگاه می‌تواند قدرت و فرکانس را افزایش دهد.  
متوجه خواهید شد که در یک کاربرد ساده مانند شارژر تلفن همراه، سوئیچینگ سریع‌تر برق مزایای بیشتری را به همراه خواهد داشت. یک منبع تغذیه سوئیچینگ ابتدا ولتاژ AC را از پریز برق یکسو کرده و سپس آن را به یک سیگنال فرکانس بالا تبدیل می‌کند. ترانسفورماتور ولتاژ را به سطح مورد نیاز کاهش می‌دهد و در نهایت سیگنال یکسو و فیلتر می‌شود. حجیم‌ترین قسمت‌های سیستم، ترانسفورماتورها و سایر اجزای غیرفعال هستند و اجزای کوچکتر فقط با افزایش فرکانس قابل استفاده هستند. و اگر فرکانس‌های بالاتری می‌خواهید، یک نیمه‌هادی با شکاف باند وسیع‌تر و میدان الکتریکی بحرانی بالاتر به شما این امکان را می‌دهد که آن را با راندمان بیشتری دریافت کنید و در عین حال اتلاف گرما را نیز ساده‌تر می‌کند.  
برای مثال، یک اینورتر سیلیکونی ۱۲۰۰ ولتی که با فرکانس ۲۰ کیلوهرتز سوئیچینگ می‌کند، می‌تواند تقریباً ۳ کیلووات توان تولید کند. با این حال، با سوئیچینگ در فرکانس ۱۵۰ کیلوهرتز، یک اینورتر کاربید سیلیکونی که همان توان را ارائه می‌دهد، می‌تواند در دمای بالاتر و در بسته‌ای با اندازه یک سوم، کار کند. به عنوان مقایسه، اینورترهای مبتنی بر Ga2O3 می‌توانند در فرکانس‌های نزدیک به مگاهرتز کار کنند و می‌توانند نصف آن کوچک باشند (اگرچه این امر به اجزای مغناطیسی نیاز دارد که هنوز اختراع نشده‌اند).  
بنابراین، به طور خلاصه، خواص الکترونیکی واقعی موادی مانند Ga2O3 از استفاده کامل از قدرت میدان الکتریکی بحرانی آنها ناشی می‌شود. اما این مقدار دقیقاً چقدر است؟ تا سال ۲۰۱۵، هیچ گروهی اندازه‌گیری‌های واقعی از قدرت میدان‌های قابل دستیابی توسط این ماده انجام نداده بود. مانند سایر دستگاه‌ها، نتایج اولیه از محدودیت‌های نظری بسیار فاصله دارند.  
من و همکارانم هنگام کار در آزمایشگاه تحقیقات نیروی هوایی در پایگاه نیروی هوایی رایت-پترسون، اوهایو، با این چالش روبرو هستیم. اولین مشکلی که با آن مواجه شدیم این بود که هر دستگاهی که با استفاده از موادی با چنین قدرت میدان بالایی ساخته شود، پتانسیل عبور از محدودیت‌های تجهیزات آزمایشی موجود را دارد. زیرا در اصل، مواد ۲ میکرونی ممکن است بیش از ۱.۵ کیلوولت را مسدود کنند! بنابراین ما یک MOSFET ساده ساختیم که هندسه آن برای کاهش ولتاژ کوچک شده است. فاصله بین گیت و درین که میدان الکتریکی در آن بالاترین است، تنها ۶۰۰ نانومتر است. این امر تا حدی برای آسان‌تر کردن اندازه‌گیری پیک Ec است، اما همچنین به این دلیل است که می‌خواهیم بتوانیم دستگاه را در فرکانس‌های RF آزمایش کنیم، که طراحی‌های ولتاژ بالای بزرگتر اجازه این کار را نمی‌دهند.  
در این آزمایش اولیه، ترانزیستورها توانستند 230 ولت را تحمل کنند که حد مجاز تجهیزات آزمایش RF است. میانگین میدان الکتریکی تولید شده حداقل 3.8 MV/cm است و شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که حداکثر میدان الکتریکی داخلی حداقل 5.3 MV/cm است. (ما هرگز 8MV/cm کامل را در یک FET مشاهده نخواهیم کرد). این اولین آزمایش تجربی است که نشان می‌دهد Ga2O3 مقدار EC نظری بزرگتری نسبت به GaN دارد (حدود 3.3MV/cm). به عبارت دیگر، شکاف گیت تا درین یک ترانزیستور قدرت GaN با ولتاژ عملیاتی نامی 600 ولت معمولاً حدود 15 تا 20 میکرومتر است و طول موج ما 600 نانومتر است.  
پس از این نتیجه‌گیری، ترانزیستورهای سوئیچینگ قدرت با سرعت نگران‌کننده‌ای توسعه یافتند. در سال ۲۰۱۷، ما MOSFETهایی با ولتاژ شکست بیش از ۶۰۰ ولت تولید کردیم. در اوایل سال ۲۰۱۸، مقادیر تلفات فرکانس بالا که با استفاده از MOSFETهایی با هندسه‌های مختلف به دست آمد، به محدودیت‌های نظری سیلیکون رسید یا از آنها فراتر رفت. علاوه بر این، اکنون مسیر روشنی برای مطابقت یا فراتر رفتن از آخرین مقادیر GaN در چند سال آینده داریم.  
    عکس: فناوری کریستال نوین  
برخلاف بسیاری از نیمه‌هادی‌های با شکاف باند وسیع، ویفرهای اکسید گالیوم را می‌توان تقریباً با همان فرآیند ویفرهای سیلیکونی ساخت. بنابراین، این بدان معناست که دستگاه‌های بدون نقص ممکن است نسبتاً ارزان شوند.  
وقتی در سال ۲۰۱۵ E سوئیچ‌های قدرت را اندازه‌گیری کردیم، همچنین حدس زدیم که Ga2O3 ممکن است با ایجاد میدان‌های الکتریکی بالاتر در دستگاه‌های کوچک‌تر، موفقیت مشابهی در مدارهای RF پیدا کند. اما در آن زمان، برخی اطلاعات کلیدی از دست رفته بود - هیچ داده منتشر شده‌ای در مورد سرعت الکترون در ماده به عنوان تابعی از میدان الکتریکی وجود نداشت.  
سرعت الکترون به ویژه در ترانزیستورهایی که برای تقویت سیگنال‌های فرکانس رادیویی استفاده می‌شوند، اهمیت دارد. در RF، خروجی با توان بالا و فرکانس بالا هدف هستند و شاخص شایستگی جانسون (JFOM) این اهداف را خلاصه می‌کند. JFOM می‌گوید که حاصلضرب توان و فرکانس یک ترانزیستور RF متناسب با حاصلضرب حداکثر سرعت حامل‌های بار در ماده نیمه‌هادی و Ec است. نکته کلیدی که باید در اینجا بدانیم این است که در یک ترانزیستور RF، تنها در صورتی تقویت حاصل می‌شود که حامل‌ها بتوانند قبل از قطبیت سوئیچ‌های شکل موج RF، آن را در تمام مسیر از سورس به درین جریان دهند. (بالاترین فرکانسی که این اتفاق می‌افتد، فرکانس بهره جریان واحد یا f T نامیده می‌شود.)
باز هم، میدان الکتریکی بحرانی بالای Ga2O3 وارد عمل می‌شود زیرا می‌توانید آن فاصله بحرانی را کاهش دهید اما همچنان یک میدان الکتریکی قوی برای شتاب دادن به الکترون‌ها تا حداکثر سرعتشان فراهم کنید.  
در AFRL ما موفق شدیم اولین MOSFET RF اکسید گالیوم زیرمیکرون را در سال ۲۰۱۷ به نمایش بگذاریم. این دستگاه‌ها اعداد چشمگیری را ثبت کردند، اگرچه در صدر لیگ GaN نیستند. فرکانس بهره جریان واحد آنها ۳ گیگاهرتز، حداکثر فرکانس نوسان آنها ۱۳ گیگاهرتز و چگالی توان خروجی آنها ۲۳۰ میلی‌وات بر میلی‌متر مربع در ۸۰۰ مگاهرتز است. از آن زمان، چگالی توان خروجی RF پالسی AFRL در ۱ گیگاهرتز از ۵۰۰ میلی‌وات بر میلی‌متر مربع فراتر رفته است و حداکثر فرکانس نوسان آن به ۲۰ گیگاهرتز نزدیک می‌شود.  
حتی دلگرم‌کننده‌تر اینکه، تقریباً در همان زمان، محاسبات نظری توسط کریشناندو گوش و اوتام سینگیزتی (دانشگاه بوفالو) نشان داد که JFOM های اکسید گالیم به طور قابل توجهی بهتر از نیترید گالیم هستند.  
از زمان اولین نمایش قابلیت‌های RF در سال ۲۰۱۷، فناوری RF Ga2O3 پیشرفت چشمگیری داشته است، ابتدا با Sriram Krishnamoorthy و سپس با تیم Siddharth Rajan در دانشگاه ایالتی اوهایو که تکنیک‌های جدید و بهبود یافته دوپینگ را نشان می‌دهند. این فناوری‌ها از سیلیکون گرفته شده‌اند، بنابراین مقاومت حاصل در صفحه ماده‌ای که رسانایی در آن رخ می‌دهد بسیار کم است، حدود ۳۰۰ اهم در هر مربع. (بله، این واحد صحیح است.) این با آنچه در دستگاه‌های گالیوم نیترید پیدا خواهید کرد قابل مقایسه است. اندکی پس از دستیابی به این نتیجه، Rajan و محققان دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، به طور مستقل Ga2O3 را به عنوان یک ترانزیستور با تحرک الکترونی بالا (HEMT) نشان دادند. D: agHEMT
این نوع دستگاه معمولاً از گالیوم آرسنید یا گالیوم نیترید ساخته می‌شود و فرکانس‌های رادیویی برای تلفن‌های همراه و گیرنده‌های تلویزیون ماهواره‌ای بسیار مهم هستند. چنین دستگاه‌هایی از طریق یک گاز الکترونی دو بعدی که در سطح مشترک تیز بین دو نیمه‌رسانا با شکاف‌های باند مختلف تشکیل می‌شود، هدایت می‌شوند. در این مورد، اکسید گالیوم آلومینیوم و اکسید گالیوم است که دقیقاً مشابه فناوری HEMT تجاری آلومینیوم گالیوم آرسنید/گالیوم آرسنید در تلفن‌های هوشمند است. این پیشرفت‌های کلیدی مسیری را برای گسترش عمودی و افقی تجهیزات RF فراهم می‌کند.  
اگرچه این پیشرفت‌ها دلگرم‌کننده هستند، اما بعید است که Ga2O3 بتواند گالیوم آرسنید (GaAs) یا GaN را در هر کاربرد RF به چالش بکشد. به عنوان یک سوئیچ اساساً خوب، انتظار داریم که در تقویت‌کننده‌های حالت سوئیچ مانند کلاس D، E یا F مزایایی داشته باشد. در میان این دستگاه‌ها، این دستگاه مقاومت روشن بسیار کمی دارد و می‌تواند با استفاده از جریان کم و مشخصه‌های ولتاژ شکست بالا به راندمان بسیار بالایی دست یابد. از سوی دیگر، کاربردهای دستگاهی که به امپدانس کمتر و جریان بالا نیاز دارند، GaN را ترجیح می‌دهند، عمدتاً به دلیل تحرک‌پذیری بالاتر حامل بار و چگالی حامل بار.  
         

SoGa2O3با چه چالش‌هایی روبرو خواهد شد؟

اولین چیزی که باید گفت این است که پاشنه آشیل این ماده این است که گرما را به طور ضعیف، حتی به طور بسیار ضعیف، هدایت می‌کند. در واقع، از بین تمام نیمه‌رساناهایی که برای تقویت RF یا سوئیچینگ توان در نظر گرفته می‌شوند، این در واقع بدترین است. رسانایی حرارتی اکسید گالیوم تنها یک ششم الماس، یک دهم SiC (زیرلایه برای GaN RF با کارایی بالا) و یک پنجم سیلیکون است. جالب اینجاست که با GaAs RF قابل مقایسه است. رسانایی حرارتی پایین به این معنی است که گرمای تولید شده در ترانزیستور احتمالاً در آنجا باقی می‌ماند و به طور بالقوه طول عمر دستگاه را به طور قابل توجهی محدود می‌کند.  
حال، این را در نظر بگیرید: برای مقایسه‌ی واقعی رسانایی حرارتی یک ماده با یک دستگاه، باید آن را با توانایی ماده در مدیریت توان نرمال کنید. به عبارت دیگر، برای مقایسه‌ی دقیق مسائل حرارتی در دستگاه‌های واقعی، باید E را بر C تقسیم کنید. وقتی این کار را انجام می‌دهید، متوجه می‌شوید که هر نیمه‌رسانایی با شکاف باند بزرگتر از سیلیکون، هنگام رسیدن به پتانسیل کامل خود، مشکلات اتلاف گرما دارد، حتی الماس. اگرچه این واقعیت هنوز به Ga2O3 کمک زیادی نمی‌کند، اما ما را ترغیب می‌کند تا سعی کنیم راه‌های بهتری برای اتلاف گرما پیدا کنیم.  
برای مثال، محققان آزمایشگاه NICT توکیو با پیوند دادن SiC پلی‌کریستال نوع p به پشت یک ویفر سیلیکونی Ga2O3 به ضخامت حدود 10 میکرون، مقاومت حرارتی دستگاه را تا حد زیادی بهبود بخشیدند. و با توجه به اینکه برای توپولوژی‌های خاص دستگاه، تقریباً تمام گرما در 1 میکرومتر بالایی ماده تولید می‌شود، محققان AFRL با شبیه‌سازی اثر تماس الکترود و استفاده از پرکننده‌های دی‌الکتریک برای انتقال گرما به یک هیت سینک، به نتایج دلگرم‌کننده‌ای دست یافتند. این ترفندی است که امروزه در ترانزیستورهای دوقطبی هتروجانکشن گالیوم آرسنید تجاری استفاده می‌شود. بنابراین، علیرغم چالش‌های حرارتی در Ga2O3، مهندسان هوشمند روی آن کار می‌کنند.  
مشکل اساسی‌تر دیگر این است که ما فقط می‌توانیم کاری کنیم که اکسید گالیوم به جای حفره‌ها، الکترون‌ها را هدایت کند. هیچ‌کس نمی‌تواند از Ga2O3 یک رسانای نوع p خوب بسازد. و متأسفانه، خواص الکترونیکی پایه این ماده چندان نویدبخش نیست. به طور خاص، شکل رسانایی حفره در بخش نوار ظرفیت ساختار نواری ماده نادرست است. بنابراین، حتی اگر نوعی ناخالصی وجود داشته باشد که باعث شود گیرنده در سطح انرژی صحیح قرار گیرد، انتظار می‌رود هر حفره‌ای که ایجاد شود، قبل از اینکه بتواند در رسانایی مشارکت کند، خود را به دام بیندازد. وقتی نظریه و داده‌ها تا این حد سازگار هستند، به سختی می‌توان گفت که راهی برای حل این نقص وجود دارد.  
اگرچه این آسیب‌پذیری چالش‌های بیشتری ایجاد می‌کند، اما همه چیز ساده نیست. بسیاری از دستگاه‌هایی که به اصطلاح اکثراً فقط از اپراتورها پشتیبانی می‌کنند، از نظر تجاری موفق بوده‌اند. به عنوان مثال، فقط به تعداد شارژرهای دیواری USB-C که می‌توانید تهیه کنید، نگاهی بیندازید.  
مرحله تحقیقاتی فناوری دستگاه‌های Ga2O3 به تازگی به مرحله بحرانی رسیده است و ما اکنون در حال برنامه‌ریزی برای فضای کاربردی برای ترانزیستورهای قدرت چند کیلوولتی با سوئیچینگ سریع و دستگاه‌های RF هستیم. اکنون نمونه‌های جدیدی از تجهیزات کلاس کیلوولت نیز به طور منظم ظاهر می‌شوند. ترانزیستورهای RF با ابعاد بحرانی در حد ده‌ها نانومتر در شرف عرضه هستند. با پیشرفت این فناوری، فکر می‌کنیم می‌توانیم به توپولوژی‌های دستگاهی دست یابیم که قبلاً در هیچ ماده دیگری امکان‌پذیر نبوده‌اند.  
 

البته، ما در ادامه کار چند چیز (عمدتاً دی‌الکتریک‌ها) را خواهیم شکست. اما این تعریف فناوری متحول‌کننده است. ما آنچه را که می‌دانیم با عملکرد بالقوه معامله می‌کنیم. در حال حاضر، برای Ga2O3، پتانسیل عملکرد به مراتب بیشتر از مشکلات است.

سلب مسئولیت: این مقاله از «نظارت بر صنعت نیمه‌هادی» که از حمایت از حقوق مالکیت معنوی حمایت می‌کند، کپی شده است. لطفاً منبع اصلی و نویسنده‌ی بازنشر را ذکر کنید. در صورت وجود هرگونه نقض، لطفاً برای حذف آن با ما تماس بگیرید.

شماره تلفن شرکت: +86-0755-83044319
فکس/فکس: +86-0755-83975897
ایمیل: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 مدیر لی

QQ: 332496225 مدیر کیو

آدرس: اتاق ۸۰۹، ساختمان C، ساختمان فناوری ژانتائو، پلاک ۱۰۷۹ خیابان مینزی، منطقه جدید لونگهوا، شنژن