W maju 2002 roku Lester F. Eastman i Umesh K. Mishra napisali o długofalowym rozwoju technologii w dziedzinie półprzewodników mocy w tamtym czasie:Azotek galu (GaN).  
W tym artykule wyrazili optymizm co do perspektyw wykorzystania azotku galu w rodzących się wówczas szerokopasmowych sieciach bezprzewodowych, radarach i aplikacjach przełączania zasilania w sieciach energetycznych. Odnoszą się również do urządzeń GaN jako„Najbardziej wytrzymały tranzystor, jaki kiedykolwiek stworzono”.  
Mają rację. Szeroka przerwa energetyczna GaN (energia potrzebna do rozbicia związanych elektronów i ułatwienia przewodzenia) oraz inne właściwości pozwalają nam wykorzystać wysoką tolerancję tego materiału na pole elektryczne, umożliwiając tworzenie urządzeń o niespotykanej dotąd wydajności.  
GaN jest dziś niekwestionowanym liderem w zastosowaniach półprzewodnikowych w zakresie zasilania RF, pojawiając się już w radarach, sieciach bezprzewodowych 5G, a wkrótce stanie się powszechnym rozwiązaniem w przetwornicach napięcia stosowanych w pojazdach elektrycznych. Teraz można nawet kupić ładowarki USB zaprojektowane w oparciu o urządzenia GaN, które oferują znacząco wysoki poziom mocy przy zachowaniu kompaktowych rozmiarów.  
Jednak nawet jeśli tak jest, wciąż zadajemy sobie pytanie: czy istnieje coś lepszego niż GaN? Czy można coś zrobić, aby zwiększyć moc i wydajność wzmacniacza RF? Czy istnieje coś, co może jeszcze bardziej zmniejszyć elektronikę mocy, odciążając samoloty i samochody? Czy możemy znaleźć materiały o większych przerwach wzbronionych, które nadal będą przewodzić prąd elektryczny?  
Okazuje się, że odpowiedź brzmi: tak.  
W rzeczywistości na rynku dostępne są materiały z wieloma przerwami energetycznymi, ale specyfika mechaniki kwantowej sprawia, że ​​większość z nich trudno wykorzystać jako półprzewodniki. Istnieje jednak jeden przekonujący kandydat: przezroczysty, przewodzący tlenek galu (Ga2O3).  
Z szeroką przerwą energetyczną wynoszącą prawie 5 eV, tlenek galu wyprzedza GaN (3.4 eV) o milę, a w porównaniu z krzemem (1.1 eV), przewaga ta jest tak duża, jak maraton. Wiemy, że diament i azotek glinu również mają szerokie przerwy energetyczne, ale nie mają takich właściwości jak Ga2O3, co jest szczęśliwym zestawem właściwości, które można wykorzystać do budowy tanich, ale wydajnych urządzeń.  
Sama szeroka przerwa energetyczna nie wystarczy, bo jeśli tak, to wszystkie dielektryki i materiały ceramiczne mogą ją mieć, dlatego mogą być stosowane jedynie jako izolatory. Tlenek galu ma jednak unikalną kombinację właściwości, które mogą uczynić go bardzo przydatnym materiałem do przełączników mocy i elektroniki RF.  
   

Ilustracja: Źródło widma IEEE: „Wdrażanie Ga2O3 w zastosowaniach elektroniki mocy” przedstawione przez Gregga H. Jessena i in. na 75. dorocznej konferencji poświęconej badaniom urządzeń (DRC).

Spośród pięciu właściwości kluczowych dla półprzewodników, wysoka krytyczna siła pola elektrycznego jest największą zaletą tlenku beta-galu. Może to pomóc w tworzeniu przełączników wysokonapięciowych i umożliwić projektowanie na ich bazie wydajnych urządzeń RF. Jednak największą wadą tlenku beta-galu jest jego niska przewodność cieplna, co oznacza, że ​​ciepło może być zatrzymywane wewnątrz urządzenia.  
Kolejną zaletą tlenku galu jest to, że można dodać do niego nośniki ładunku, aby zwiększyć jego przewodnictwo, w procesie zwanym domieszkowaniem. Domieszkowanie polega na dodaniu kontrolowanych ilości domieszek do kryształu w celu kontrolowania stężenia nośników ładunku w półprzewodniku. Na przykład w krzemie można zastosować implantację jonów, a następnie wyżarzanie, aby domieszkować kryształ fosforem (dodając wolne elektrony) lub borem (odbierając je), umożliwiając swobodny przepływ ładunków w jego wnętrzu. W przypadku Ga2O3 dodawanie elektronów odbywa się w podobny sposób.  
Jeśli jednak spróbujesz zastosować to podejście do innych tlenków o szerokiej przerwie energetycznej, może to doprowadzić do powstania potencjalnie rozbitych kryształów i miejsc w sieci, w których utkną ładunki.  
Zdolność tlenku galu do adaptacji do domieszek w standardowych procesach (zwanych implantacją jonów), a także podczas wzrostu epitaksjalnego (osadzania dodatkowych kryształów), pozwala nam korzystać z szeregu uznanych komercyjnych technologii litografii i przetwarzania. Metody te pozwalają stosunkowo łatwo precyzyjnie określić wymiary tranzystorów w dziesiątkach nanometrów i generować różnorodne topologie urządzeń. Jednak inne materiały półprzewodnikowe o szerokich przerwach wzbronionych nie posiadają tej niezwykle przydatnej cechy. Nawet GaN nie jest w stanie tego zrobić.  
Kolejną zaletą tlenku galu jest to, że – jak na tamte czasy – duże płytki krzemowe z krystalicznego Ga₂O₃ są bardzo łatwe w produkcji. Chociaż istnieje kilka rodzajów kryształów Ga₂O₃, najstabilniejszy to β, a następnie ε i α. Spośród nich β-Ga₂O₃ jest przedmiotem najintensywniejszych badań, głównie dzięki wysiłkom takich instytucji jak Narodowy Instytut Materiałoznawstwa w Tsukubie w Japonii oraz Instytut Kryształów im. Leibniza w Berlinie.  
Najbardziej atrakcyjnym aspektem β-Ga2O3 jest jego stabilność termiczna, która pozwala na jego wytwarzanie za pomocą szeregu powszechnie stosowanych technik, w tym metody Czochralskiego do produkcji płytek krzemowych. Możemy również wykorzystać technikę wzrostu kryształów zwaną „edge-defined, film-fed”. Obecnie kryształy można hodować nawet za pomocą wysoce skalowalnej pionowej techniki Bridgmana-Stockbargera.  
Trudno przecenić, jak bardzo ta sytuacja różni się od innych półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej. Jednak z obecnej perspektywy, z wyjątkiem węglika krzemu (SiC), większość powstających półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej nie posiada podłoży o dużych rozmiarach, na których można by hodować duże kryształy. Oznacza to, że muszą one rosnąć na dysku z innego materiału, co wiąże się z kosztami. Na przykład azotek galu jest zazwyczaj hodowany na podłożach z krzemu, węglika krzemu lub szafiru w złożonym procesie. Jednak struktura krystaliczna tych podłoży jest oczywiście inna niż GaN, a ta różnica może powodować „niedopasowanie sieci” między podłożem a GaN, co prowadzi do dużej liczby defektów. Defekty te powodowały wiele problemów dla produkowanego sprzętu. Ponieważ Ga₂O₃ działa jak własne podłoże, nie występują niedopasowania, a zatem i defekty. Japońska firma Novel Crystal Technology zademonstrowała β-Ga₂O₃ o średnicy 150 mm.  
w Japońskim Instytucie Technologii Informacyjnych i Komunikacyjnych (NICT)Masataki HigashiwakiegoJako pierwszy dostrzegł potencjał β-Ga2O3 w zastosowaniach przełączania mocy. W 2012 roku zszokował całą branżę urządzeń mocy, gdy jego grupa badawcza opublikowała pierwszy monokrystaliczny tranzystor β-Ga2O3. Jak dobry jest ten produkt? Na przykład, jedną z kluczowych cech tranzystora mocy jest napięcie przebicia, czyli punkt krytyczny, w którym zdolność półprzewodnika do zatrzymania przepływu prądu ulega przebiciu. Napięcie przebicia pionierskiego tranzystora wprowadzonego przez Higashiwakiego przekracza 250 V. Dla porównania, GaN potrzebował prawie dwóch dekad, aby osiągnąć to osiągnięcie.  
W swojej przełomowej pracy Higashiwaki opisał, że znacząco zredukowali straty mocy urządzenia dzięki zastosowaniu materiału o wysokiej krytycznej sile pola elektrycznego. Ta cecha, znana jako Ec, stanowi prawdziwą supermoc tlenku galu.  
Mówiąc prościej, jeśli umieścimy materiał między dwoma przewodnikami i zwiększymy napięcie, Ec będzie polem elektrycznym, przy którym materiał zaczyna przewodzić prąd. Często to napięcie może przynieść katastrofalne skutki. Krytyczne natężenie pola krzemu jest zazwyczaj mierzone w setkach kilowoltów na centymetr, podczas gdy krytyczne natężenie pola Ga2O3 wynosi 8 megawoltów na centymetr.  
 

Zdjęcie: Laboratorium Badawcze Sił Powietrznych

Bohater wysokiego napięcia: Ten tranzystor z tlenku galu przedstawiony na powyższym zdjęciu (pokazany w dwóch powiększeniach (a i b) oraz w przekroju (c)) utrzymuje napięcie powyżej 200 woltów w zakresie zaledwie 600 nanometrów.

Myśląc o idealnych tranzystorach przełączających moc, jednym z największych atutów jest bardzo wysoka rezystancja E. W idealnym przypadku urządzenie przełączałoby się natychmiastowo między dwoma stanami: zawsze włączone (przewodzenie bez rezystancji) i zawsze wyłączone (całkowity brak przewodzenia). Te dwa skrajne stany wymagają dwóch zupełnie różnych geometrii. W stanie wyłączonym należy umieścić grubszą warstwę materiału między źródłem a drenem tranzystora, aby zapobiec przewodzeniu i zablokować wysokie napięcia. W stanie włączonym potrzebna jest nieskończenie cienka warstwa, aby nie występowała żadna rezystancja.  
Oczywiście, nie można mieć obu. Krytyczna siła pola elektrycznego materiału decyduje o tym, jak cienką warstwę można faktycznie utworzyć, aby nadal była zamknięta.  
Kluczowym wskaźnikiem półprzewodników przełączających niskiej częstotliwości jest tzw. wskaźnik Baliga Figure of Merit, nazwany na cześć B. Jayanta Baligi, laureata Medalu Honorowego IEEE. Zasadniczo wskazuje on, jak dobrze wyjście urządzenia odtwarza szczegóły sygnału wejściowego przy wysokich napięciach. Jest to bardzo ważna właściwość dla tranzystorów pracujących jako przełączniki w zakresie częstotliwości do kiloherców. Takie urządzenia znajdują zastosowanie w wielokilowoltowych podstacjach, generatorach fotonów o wysokiej energii do obrazowania medycznego oraz falownikach mocy w pojazdach elektrycznych i przemysłowych napędach silnikowych.  
We wszystkich tych zastosowaniach i nie tylko, Ga2O3 ma naturalne zalety. Przy tych częstotliwościach współczynnik jakości jest proporcjonalny do sześcianu krytycznego pola elektrycznego. Tak wysoki współczynnik Ec oznacza dobrą wartość współczynnika dobroci.  
Za tym matematycznym rozumowaniem kryje się fakt, że ten przełącznik spędza większość czasu albo całkowicie włączony, albo całkowicie wyłączony, a przełączanie się między nimi zajmuje bardzo mało czasu. Zatem większość strat mocy to po prostu prąd płynący z rezystora do momentu włączenia urządzenia. Przy wysokim napięciu E c można stosować cieńsze urządzenia, co oznacza mniejszy opór.  
Przesłanie pracy Higashiwakiego jest proste: można wykorzystać silne pola elektryczne o dużym natężeniu, aby uzyskać przełączanie wysokiego napięcia, które powoduje niewielkie straty mocy przy niskich częstotliwościach. Inne grupy badawcze wkrótce zrozumiały tę ideę. Do 2013 roku naukowcy zademonstrowali tranzystor polowy typu metal-tlenek-półprzewodnik (MOSFET) o napięciu przebicia 370 V. W 2016 roku Man Hoi Wong, wówczas członek grupy Higashiwakiego z NICT, zastosował dodatkową strukturę zwaną platerowaniem polowym, aby podnieść napięcie powyżej 750 V. Wśród tych urządzeń względna łatwość, z jaką Ga2O3 może osiągać wyższe napięcia robocze, jest rzeczywiście niezwykła. Badania nad materiałami poczyniły ogromne postępy w ciągu zaledwie kilku lat, podczas gdy w przypadku warstw GaN zajęło to dekady.  
Czy Ga2O3 byłby przydatny w zastosowaniach z szybkimi zasilaczami impulsowymi? To kolejny punkt, na który wszyscy zwracają uwagę. Należy podkreślić, że E c jest tutaj również bardzo ważny i może przynieść Ga2O3 ogromne korzyści.  
Przy wyższych częstotliwościach (takich jak 100 Hz do 1 MHz) czas włączania i wyłączania urządzenia proporcjonalnie wzrasta. Straty podczas przełączania są iloczynem rezystancji urządzenia i ilości ładunku, jaka musi zgromadzić się na bramce tranzystora, aby nastąpiło przełączenie. Oznacza to, że straty są proporcjonalne do kwadratu krytycznego natężenia pola elektrycznego, a nie do sześcianu przy niskich częstotliwościach.  
    Zdjęcie: Laboratorium Badawcze Sił Powietrznych  
Zdjęcie powyżej przedstawia tlenek galuPotencjał zastosowania RF,Niewielka część (wewnętrzna) tego wczesnego tranzystora RF z tlenku galu miała istotne znaczenie dla jego działania. Zmniejszenie rezystancji pasożytniczej w urządzeniu może zwiększyć moc i częstotliwość.  
Przekonasz się, że w tak prostym zastosowaniu jak ładowarka do telefonu komórkowego, szybsze przełączanie zasilania przyniesie więcej korzyści. Zasilacz impulsowy działa poprzez najpierw prostowanie napięcia przemiennego z gniazdka ściennego, a następnie przetwarzanie go na sygnał o wysokiej częstotliwości. Transformator obniża napięcie do wymaganego poziomu, a na końcu sygnał jest prostowany i filtrowany. Najbardziej obszerne elementy systemu to transformatory i inne elementy pasywne, a mniejsze elementy można stosować dopiero po zwiększeniu częstotliwości. A jeśli potrzebujesz wyższych częstotliwości, półprzewodnik o szerszej przerwie energetycznej i wyższym krytycznym polu elektrycznym pozwoli Ci uzyskać je wydajniej, jednocześnie upraszczając odprowadzanie ciepła.  
Na przykład, krzemowy falownik 1200 V przełączający z częstotliwością 20 kHz może dostarczyć około 3 kW mocy. Jednakże, przełączając z częstotliwością 150 kHz, falownik z węglika krzemu o tej samej mocy może pracować w wyższej temperaturze, a jego obudowa jest trzykrotnie mniejsza. Dla porównania, falowniki oparte na Ga2O3 mogą pracować z częstotliwościami bliskimi megahercom i mogą być o połowę mniejsze (choć wymagałoby to zastosowania elementów magnetycznych, które jeszcze nie zostały wynalezione).  
Podsumowując, rzeczywiste właściwości elektroniczne materiałów takich jak Ga2O3 wynikają z pełnego wykorzystania ich krytycznego natężenia pola elektrycznego. Ale czym właściwie jest ta wartość? Do 2015 roku żadna grupa badawcza nie przeprowadziła rzeczywistych pomiarów natężenia pola elektrycznego osiąganego przez ten materiał. Podobnie jak w przypadku innych urządzeń, wstępne wyniki są dalekie od teoretycznych ograniczeń.  
Moi koledzy i ja mierzymy się z tym wyzwaniem, pracując w Laboratorium Badawczym Sił Powietrznych w Bazie Sił Powietrznych Wright-Patterson w stanie Ohio. Pierwszym problemem, z jakim się spotkaliśmy, było to, że każde urządzenie wykonane z materiałów o tak wysokim natężeniu pola elektrycznego miało potencjał przekraczania ograniczeń istniejącego sprzętu testowego. Ponieważ w zasadzie materiały o grubości 2 mikronów mogą blokować napięcie powyżej 1.5 kV! Zbudowaliśmy więc prosty tranzystor MOSFET, którego geometrię zmniejszono, aby zmniejszyć napięcie. Odstęp między bramką a drenem, gdzie pole elektryczne jest najwyższe, wynosi zaledwie 600 nanometrów. Wynika to częściowo z potrzeby ułatwienia pomiaru szczytowego napięcia E c, ale również z chęci testowania urządzenia na częstotliwościach RF, na które nie pozwalają większe konstrukcje wysokonapięciowe.  
W tej wczesnej demonstracji tranzystory były w stanie wytrzymać napięcie 230 V, co stanowi granicę możliwości sprzętu do testów RF. Średnie generowane pole elektryczne wynosi co najmniej 3.8 MV/cm, a symulacje pokazują, że szczytowe wewnętrzne pole elektryczne wynosi co najmniej 5.3 MV/cm. (W tranzystorze polowym (FET) nigdy nie osiągniemy pełnych 8 MV/cm). To pierwsza eksperymentalna demonstracja, że ​​Ga2O3 ma większą teoretyczną wartość EC niż GaN (około 3.3 MV/cm). Innymi słowy, przerwa między bramką a drenem tranzystora mocy GaN o znamionowym napięciu roboczym 600 V wynosi zazwyczaj około 15 do 20 µm, a nasza długość fali wynosi 600 nm.  
Po wyciągnięciu tego wniosku, tranzystory przełączające moc rozwijały się w zastraszającym tempie. W 2017 roku wyprodukowaliśmy tranzystory MOSFET o napięciu przebicia powyżej 600 V. Na początku 2018 roku wartości strat wysokoczęstotliwościowych uzyskane z wykorzystaniem tranzystorów MOSFET o różnych geometriach osiągnęły lub przekroczyły teoretyczne ograniczenia krzemu. Co więcej, mamy teraz jasną drogę do osiągnięcia lub przekroczenia najnowszych wartości GaN w ciągu najbliższych kilku lat.  
    Zdjęcie: Nowa technologia kryształów  
W przeciwieństwie do wielu półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej, wafle z tlenku galu można wytwarzać w przybliżeniu w tym samym procesie co wafle krzemowe. Oznacza to, że urządzenia bez wad mogą stać się stosunkowo tanie.  
Kiedy w 2015 roku mierzyliśmy wartość E przełączników mocy, spekulowaliśmy również, że Ga2O3 może odnieść podobny sukces w obwodach RF, ponownie umożliwiając wytwarzanie wyższych pól elektrycznych w mniejszych urządzeniach. Jednak w tamtym czasie brakowało kluczowych informacji – nie opublikowano żadnych danych dotyczących prędkości elektronów w materiale w funkcji pola elektrycznego.  
Prędkość elektronów jest szczególnie ważna w tranzystorach używanych do wzmacniania sygnałów o częstotliwości radiowej. W RF celem jest wysoka moc wyjściowa i wysoka częstotliwość, a figura dobroci Johnsona (JFOM) podsumowuje te cele. JFOM mówi, że iloczyn mocy i częstotliwości tranzystora RF jest proporcjonalny do iloczynu maksymalnej prędkości nośników ładunku w materiale półprzewodnikowym i Ec. Kluczową rzeczą, którą musimy tutaj wiedzieć, jest to, że w tranzystorze RF wzmocnienie uzyskuje się tylko wtedy, gdy nośniki są w stanie przepłynąć całą drogę od źródła do drenu, zanim nastąpi zmiana polaryzacji przebiegu RF. (Najwyższa częstotliwość, przy której to następuje, nazywana jest jednostkową częstotliwością wzmocnienia prądowego, czyli fT).
Ponownie w grę wchodzi wysokie krytyczne pole elektryczne Ga2O3, ponieważ można zmniejszyć tę krytyczną odległość, nadal zapewniając silne pole elektryczne do przyspieszania elektronów do ich maksymalnej prędkości.  
W 2017 roku w AFRL zaprezentowaliśmy pierwszy submikronowy tranzystor MOSFET RF z tlenku galu. Urządzenia te osiągają imponujące wyniki, choć nie plasują się w czołówce urządzeń GaN. Ich jednostkowa częstotliwość wzmocnienia prądowego wynosi 3 GHz, maksymalna częstotliwość oscylacji 13 GHz, a gęstość mocy wyjściowej 230 mW/mm przy 800 MHz. Od tego czasu gęstość mocy wyjściowej impulsów RF w AFRL przekroczyła 500 mW/mm przy 1 GHz, a maksymalna częstotliwość oscylacji zbliża się do 20 GHz.  
Jeszcze bardziej zachęcające są wyniki obliczeń teoretycznych przeprowadzonych w tym samym czasie przez Krishnandu Ghosha i Uttama Singisettiego (Uniwersytet w Buffalo), które wykazały, że JFOM-y z tlenku galu są znacznie lepsze od tych z azotku galu.  
Od pierwszej demonstracji możliwości RF w 2017 roku, technologia RF Ga2O3 poczyniła ogromne postępy, najpierw dzięki Sriramowi Krishnamoorthy'emu, a następnie zespołowi Siddhartha Rajana z Uniwersytetu Stanowego Ohio, którzy zaprezentowali nowe i ulepszone techniki domieszkowania. Technologie te zapożyczono z krzemu, więc uzyskana rezystancja w warstwie materiału, w której zachodzi przewodzenie, jest bardzo niska i wynosi około 300 omów na kwadrat. (Tak, to prawidłowa jednostka). Jest to porównywalne z rezystancją występującą w urządzeniach z azotku galu. Wkrótce po osiągnięciu tego wyniku, Rajan i naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara niezależnie zademonstrowali Ga2O3 jako tranzystor o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT). D: agHEMT
Tego typu urządzenia są zazwyczaj wykonane z arsenku galu lub azotku galu, a częstotliwości radiowe mają kluczowe znaczenie zarówno dla telefonów komórkowych, jak i odbiorników telewizji satelitarnej. Takie urządzenia przewodzą przez dwuwymiarowy gaz elektronowy, który tworzy się na ostrym styku dwóch półprzewodników o różnych przerwach wzbronionych. W tym przypadku jest to tlenek galu i glinu oraz tlenek galu, co jest dokładnie podobne do komercyjnej technologii HEMT z arsenku galu i glinu/arsenku galu stosowanej w smartfonach. Te przełomowe odkrycia otwierają drogę do pionowej i poziomej ekspansji urządzeń RF.  
Chociaż te postępy są zachęcające, Ga2O3 prawdopodobnie nie będzie stanowił konkurencji dla arsenku galu (GaAs) lub GaN w każdym zastosowaniu RF. Jako fundamentalnie dobry przełącznik, spodziewamy się, że będzie miał on przewagę we wzmacniaczach impulsowych, takich jak klasy D, E lub F. Spośród tych urządzeń, charakteryzuje się on bardzo niską rezystancją w stanie przewodzenia i może osiągać bardzo wysoką sprawność, wykorzystując charakterystykę niskiego prądu i wysokiego napięcia przebicia. Z drugiej strony, zastosowania urządzeń wymagających niższej impedancji i wysokiego prądu będą preferować GaN, głównie ze względu na jego większą ruchliwość i gęstość nośników ładunku.  
         

SoGa2O3Z jakimi wyzwaniami będzie musiała się zmierzyć?

Przede wszystkim należy zauważyć, że piętą achillesową tego materiału jest słabe, a nawet wyjątkowo słabe przewodzenie ciepła. W rzeczywistości, spośród wszystkich półprzewodników rozważanych do wzmacniania sygnałów RF lub przełączania zasilania, jest on najgorszy. Przewodność cieplna tlenku galu wynosi zaledwie jedną szóstą przewodności diamentu, jedną dziesiątą przewodności SiC (podłoża dla wysokowydajnego GaN) i jedną piątą przewodności krzemu. Co ciekawe, jest ona porównywalna z przewodnością GaAs. Niska przewodność cieplna oznacza, że ​​ciepło generowane w tranzystorze prawdopodobnie tam pozostanie, co potencjalnie znacznie ograniczy żywotność urządzenia.  
Rozważmy to: aby uzyskać rzeczywiste porównanie przewodności cieplnej materiału z urządzeniem, należy ją znormalizować do zdolności materiału do przenoszenia mocy. Innymi słowy, należy podzielić E przez C, aby dokładnie porównać problemy termiczne w rzeczywistych urządzeniach. Kiedy to zrobisz, okaże się, że każdy półprzewodnik z przerwą energetyczną większą niż krzem ma problemy z odprowadzaniem ciepła po osiągnięciu pełnego potencjału, nawet diament. Chociaż fakt ten nadal nie pomaga Ga2O3, motywuje nas do poszukiwania lepszych sposobów odprowadzania ciepła.  
Na przykład, naukowcy z tokijskiego laboratorium NICT znacznie poprawili rezystancję termiczną urządzenia, łącząc polikrystaliczny SiC typu p z tylną stroną płytki krzemowej Ga2O3 o grubości zaledwie około 10 mikronów. Zauważając, że w przypadku niektórych topologii urządzeń praktycznie całe ciepło generowane jest w górnym 1 µm materiału, naukowcy z AFRL uzyskali obiecujące wyniki symulując efekt kontaktu elektrod i wykorzystując wypełniacze dielektryczne do odprowadzania ciepła do radiatora. Jest to sztuczka stosowana obecnie w komercyjnych tranzystorach bipolarnych z heterozłączem z arsenku galu. Pomimo wyzwań termicznych związanych z Ga2O3, inteligentni inżynierowie nad nią pracują.  
Innym, bardziej fundamentalnym problemem jest to, że tlenek galu potrafi przewodzić jedynie elektrony, a nie dziury. Nikt nie jest w stanie stworzyć dobrego przewodnika typu p z Ga2O3. Co gorsza, podstawowe właściwości elektroniczne tego materiału nie są zbyt obiecujące. W szczególności, nieprawidłowy jest kształt przewodnictwa dziur w pasmie walencyjnym struktury pasma. Dlatego nawet jeśli istnieje jakaś domieszka, która powoduje, że receptor znajduje się na właściwym poziomie energetycznym, wszelkie powstałe dziury prawdopodobnie zostaną uwięzione, zanim zdążą przyczynić się do przewodzenia. Skoro teoria i dane są tak spójne, trudno powiedzieć, że istnieje sposób na obejście tego problemu.  
Chociaż ta luka w zabezpieczeniach stwarza dodatkowe wyzwania, nie jest to proste. Wiele urządzeń obsługujących większość operatorów odniosło sukces komercyjny. Na przykład, wystarczy spojrzeć na jak największą liczbę ładowarek ściennych USB-C.  
Faza badawcza technologii urządzeń Ga2O3 właśnie osiągnęła masę krytyczną i obecnie planujemy przestrzeń zastosowań dla szybkich tranzystorów przełączających, tranzystorów mocy o napięciu wielu kilowoltów oraz urządzeń RF. Regularnie pojawiają się również nowe demonstracje urządzeń klasy kilowoltów. Tranzystory RF o krytycznych wymiarach rzędu dziesiątek nanometrów wkrótce staną się dostępne. W miarę rozwoju tej technologii, wierzymy, że będziemy w stanie osiągnąć topologie urządzeń, które nie były dotychczas możliwe w żadnym innym materiale.  
 

Oczywiście, po drodze popsujemy kilka rzeczy (głównie dielektryki). Ale to właśnie jest definicja przełomowej technologii. Zamieniamy to, co wiemy, na potencjalną wydajność. Obecnie w przypadku Ga2O3 potencjał wydajności znacznie przewyższa problemy.

Zastrzeżenie: Niniejszy artykuł pochodzi z publikacji „Semiconductor Industry Observation”, która wspiera ochronę praw własności intelektualnej. Prosimy o podanie oryginalnego źródła i autora przedruku. W przypadku naruszenia prosimy o kontakt w celu usunięcia przedruku.

Numer telefonu firmy: +86-0755-83044319
Faks/FAKS: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Menedżer Li

QQ: 332496225 Menedżer Qiu

Adres: Pokój 809, Budynek C, Budynek Technologii Zhantao, nr 1079 Minzhi Avenue, Nowa Dzielnica Longhua, Shenzhen