Em maio de 2002, Lester F. Eastman e Umesh K. Mishra escreveram sobre uma tecnologia de desenvolvimento de longo prazo na área de semicondutores de potência na época:Nitreto de gálio (GaN).  
Nesse artigo, eles expressaram otimismo quanto às perspectivas do nitreto de gálio em redes sem fio de banda larga então emergentes, radares e aplicações de comutação de energia para redes elétricas. Eles também se referem a dispositivos de GaN como"O transistor mais robusto já criado".  
Eles estão corretos. A ampla banda proibida do GaN (a energia necessária para romper as ligações de elétrons e facilitar a condução) e outras qualidades nos permitem explorar a alta tolerância a campos elétricos desse material, possibilitando dispositivos com desempenho sem precedentes.  
Hoje, o GaN é o campeão indiscutível em aplicações de potência de radiofrequência de estado sólido, já presente em radares, redes sem fio 5G e em breve se tornará comum em inversores de energia usados ​​em veículos elétricos. Agora, você pode até comprar carregadores USB projetados com base em dispositivos GaN, que oferecem níveis de potência significativamente altos em seu tamanho compacto.  
No entanto, mesmo que esse seja o caso, ainda perguntamos: existe algo melhor que o GaN? Há algo que possa ser feito para tornar um amplificador de RF mais potente e eficiente? Existe algo que possa reduzir ainda mais o tamanho dos componentes eletrônicos de potência, aliviando ainda mais a carga sobre aviões e carros? Podemos encontrar materiais com gaps de banda maiores que ainda conduzam eletricidade?  
Acontece que a resposta é sim.  
Na verdade, existem materiais com muitas lacunas de banda no mercado, mas a particularidade da mecânica quântica faz com que a maioria deles dificilmente possa ser usada como semicondutores. No entanto, há um candidato promissor: o óxido condutor transparente óxido de gálio (Ga2O3).  
Com sua ampla banda proibida de quase 5 eV, o óxido de gálio supera o GaN (3.4 eV) por uma grande margem, e comparado ao silício (1.1 eV), a vantagem é enorme. Sabemos que o diamante e o nitreto de alumínio também possuem grandes bandas proibidas, mas não apresentam as propriedades do Ga₂O₃, um conjunto de características que pode ser explorado para a fabricação de dispositivos baratos e potentes.  
Não basta que um material tenha uma banda proibida larga, pois, se assim fosse, todos os dielétricos e cerâmicas também a teriam, razão pela qual só podem ser usados ​​como isolantes. Mas o óxido de gálio possui uma combinação única de qualidades que o torna muito útil como candidato a material para chaves de potência e eletrônica de radiofrequência.  
   

Ilustração: IEEE Spectrum Fonte: “Implementação de Ga2O3 para aplicações em eletrônica de potência”, apresentado por Gregg H. Jessen et al. na 75ª Conferência Anual de Pesquisa de Dispositivos (DRC).

Dentre as cinco propriedades cruciais para semicondutores, a alta intensidade do campo elétrico crítico é a maior vantagem do óxido de gálio beta. Isso pode auxiliar na criação de interruptores de alta tensão e possibilitar o desenvolvimento de dispositivos de radiofrequência (RF) potentes com base neles. Contudo, a maior desvantagem do óxido de gálio beta é sua baixa condutividade térmica, o que significa que o calor pode ficar retido dentro do dispositivo.  
Uma propriedade interessante do óxido de gálio é a possibilidade de adicionar portadores de carga para aumentar sua condutividade por meio de um processo chamado dopagem. A dopagem consiste em adicionar quantidades controladas de impurezas a um cristal para controlar a concentração de portadores de carga no semicondutor. No silício, por exemplo, pode-se usar implantação iônica seguida de recozimento para dopar o cristal com fósforo (adicionando elétrons livres) ou boro (removendo-os), permitindo que as cargas se movam livremente dentro dele. No Ga₂O₃, adicionam-se elétrons de maneira semelhante.  
Mas se você tentar usar essa abordagem com outros óxidos de banda proibida larga, poderá acabar com cristais potencialmente quebrados e pontos na rede cristalina onde as cargas ficam presas.  
A adaptabilidade do óxido de gálio à adição de dopantes por meio de processos padrão (chamados de implantação iônica), bem como durante o crescimento epitaxial (deposição de cristais adicionais), permite-nos aproveitar diversas tecnologias comerciais de litografia e processamento já estabelecidas. Esses métodos tornam relativamente fácil definir com precisão as dimensões dos transistores em dezenas de nanômetros e gerar uma variedade de topologias de dispositivos. No entanto, outros materiais semicondutores com amplos gaps de banda não possuem essa característica incrivelmente útil. Nem mesmo o GaN consegue isso.  
Outra vantagem do óxido de gálio é que, para este material, grandes wafers de silício de Ga2O3 cristalino são relativamente fáceis de fabricar. Embora existam vários tipos de cristais de Ga2O3, o mais estável é chamado de β, seguido por ε e α. Dentre eles, o β-Ga2O3 é o que possui maior volume de pesquisas, principalmente devido aos esforços de instituições como o Instituto Nacional de Ciência dos Materiais em Tsukuba, Japão, e o Instituto Leibniz de Cristalização em Berlim.  
O aspecto mais atraente do β-Ga₂O₃ é sua estabilidade térmica, que permite sua fabricação utilizando diversas técnicas já amplamente utilizadas, incluindo o método Czochralski para a produção de wafers de silício. Também podemos utilizar uma técnica de crescimento cristalino chamada de crescimento por filme com definição de borda. Atualmente, os cristais podem até mesmo ser cultivados utilizando a técnica vertical Bridgman-Stockbarger, altamente escalável.  
É difícil exagerar o quão diferente essa situação é da de outros semicondutores de banda larga. No entanto, da perspectiva atual, com exceção do carbeto de silício (SiC), a maioria dos semicondutores de banda larga emergentes não possui substratos de grandes dimensões nos quais cristais grandes possam ser cultivados. Isso significa que eles precisam ser cultivados sobre um disco de outro material, o que acarreta um custo. Por exemplo, o nitreto de gálio é tipicamente cultivado sobre substratos de silício, carbeto de silício ou safira em um processo complexo. Mas a estrutura cristalina desses substratos é obviamente diferente da do GaN, e essa diferença pode criar uma "incompatibilidade de rede" entre o substrato e o GaN, resultando em um grande número de defeitos. Esses defeitos causaram muitos problemas para os equipamentos produzidos. Como o Ga₂O₃ atua como seu próprio substrato, não há incompatibilidades e, portanto, não há defeitos. A Novel Crystal Technology do Japão demonstrou a produção de β-Ga₂O₃ com 150 mm.  
no Instituto Japonês de Tecnologia da Informação e Comunicações (NICT)Masataka HigashiwakiFoi o primeiro a perceber o potencial do β-Ga2O3 em aplicações de comutação de potência. Em 2012, ele surpreendeu todo o campo de dispositivos de potência depois que seu grupo de pesquisa relatou o primeiro transistor monocristalino de β-Ga2O3. Quão bom é esse produto? Por exemplo, uma das principais especificações de um transistor de potência é a tensão de ruptura, um ponto crítico no qual a capacidade do semicondutor de interromper o fluxo de corrente é comprometida. A tensão de ruptura do transistor pioneiro apresentado por Higashiwaki é superior a 250V. Para efeito de comparação, o GaN levou quase duas décadas para atingir esse resultado.  
Em seu trabalho seminal, Higashiwaki descreveu que eles também reduziram significativamente as perdas de energia do dispositivo usando um material com alta intensidade de campo elétrico crítico. Essa característica, conhecida como Ec, é o verdadeiro superpoder do óxido de gálio.  
Em termos simples, se você colocar um material entre dois condutores e aumentar a voltagem, E_c é o campo elétrico no qual o material começa a conduzir eletricidade. Muitas vezes, essa voltagem pode trazer resultados desastrosos. A intensidade do campo crítico do silício é tipicamente medida em centenas de quilovolts por centímetro, enquanto a do Ga₂O₃ é de 8 megavolts por centímetro.  
 

Imagem: Laboratório de Pesquisa da Força Aérea

Herói de alta tensão: Este transistor de óxido de gálio ilustrado acima (mostrado acima em duas ampliações (a e b) e em corte transversal (c)) mantém tensões acima de 200 volts em apenas 600 nanômetros.

Ao pensar em transistores de comutação de potência ideais, ter uma capacitância (E) muito alta é um dos maiores atrativos. Idealmente, o dispositivo alternaria instantaneamente entre dois estados: sempre ligado (condução sem resistência) e sempre desligado (nenhuma condução). Esses dois extremos requerem geometrias de dispositivo muito diferentes. Para o estado desligado, é necessário colocar uma camada mais espessa de material entre a fonte e o dreno do transistor para evitar a condução e bloquear grandes tensões. Para o estado ligado, é necessária uma área infinitamente fina para que não haja resistência.  
É claro que não é possível ter ambos. A intensidade crítica do campo elétrico do material determina a espessura mínima da área que ainda pode ser fechada.  
O principal indicador de desempenho de semicondutores para comutação de potência em baixa frequência é o fator de mérito de Baliga, nomeado em homenagem a B. Jayant Baliga, ganhador da Medalha de Honra do IEEE. Essencialmente, ele indica a precisão com que a saída do dispositivo reproduz os detalhes do sinal de entrada em altas tensões. Essa é uma propriedade muito importante para transistores que operam como chaves em frequências de até quilohertz. Tais dispositivos são encontrados em equipamentos de subestações de múltiplos quilovolts, geradores de fótons de alta energia para imagens médicas e inversores de potência para veículos elétricos e acionamentos de motores industriais.  
Para todas essas aplicações e muitas outras, o Ga2O3 apresenta vantagens naturais. Nessas frequências, o fator de qualidade é proporcional ao cubo do campo elétrico crítico. Um E c tão elevado significa um bom fator de mérito.  
Por trás dos cálculos está o fato de que esse interruptor passa a maior parte do tempo totalmente ligado ou totalmente desligado, e muito pouco tempo alternando entre os dois estados. Portanto, a maior parte da perda de energia se deve à corrente que vai do resistor até o momento em que o dispositivo é ligado. Quando E_c é alto, podem ser usados ​​dispositivos mais finos, o que significa menor resistência.  
A mensagem do trabalho de Higashiwaki é simples: é possível usar campos elétricos intensos e de alta potência para realizar comutação de alta tensão com pouca perda de energia em baixas frequências. Outros grupos de pesquisa logo entenderam a mensagem. Em 2013, pesquisadores demonstraram um transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET) com uma tensão de ruptura de 370 V. Em 2016, Man Hoi Wong, então integrante do grupo de Higashiwaki no NICT, utilizou uma estrutura adicional chamada revestimento de campo para elevar a tensão acima de 750 V. Dentre esses dispositivos, a relativa facilidade com que o Ga₂O₃ atinge tensões de operação mais elevadas é realmente notável. A pesquisa em materiais avançou muito em poucos anos, enquanto a obtenção de lâminas de GaN levou décadas.  
O Ga2O3 seria útil em aplicações de fontes de alimentação com comutação rápida? Este é outro ponto que todos consideram importante. É preciso enfatizar que o E c também é crucial e pode trazer grandes vantagens ao Ga2O3.  
Em frequências mais altas (como de 100 Hz a 1 MHz), o tempo que um dispositivo leva para ligar e desligar aumenta proporcionalmente. As perdas durante a comutação são o produto da resistência do dispositivo e da quantidade de carga que precisa se acumular no gate do transistor para que a comutação ocorra. Fazendo as contas, isso significa que as perdas são proporcionais ao quadrado da intensidade do campo elétrico crítico, e não ao cubo, em baixas frequências.  
    Imagem: Laboratório de Pesquisa da Força Aérea  
A imagem acima mostra o óxido de gálio.Potencial de aplicação de radiofrequência,Uma pequena parte (intrínseca) desse transistor de radiofrequência (RF) de óxido de gálio primitivo era importante para o seu funcionamento. Reduzir a resistência parasita no dispositivo pode aumentar a potência e a frequência.  
Você verá que, em uma aplicação tão simples quanto um carregador de celular, uma comutação de energia mais rápida trará mais benefícios. Uma fonte de alimentação chaveada funciona retificando primeiro a tensão CA da tomada e, em seguida, convertendo-a em um sinal de alta frequência. O transformador reduz a tensão para o nível necessário e, finalmente, o sinal é retificado e filtrado. Os componentes mais volumosos do sistema são os transformadores e outros componentes passivos, e componentes menores só podem ser usados ​​à medida que a frequência aumenta. E se você precisar de frequências mais altas, um semicondutor com uma banda proibida mais larga e um campo elétrico crítico mais alto permitirá obtê-las com mais eficiência, além de simplificar a dissipação de calor.  
Por exemplo, um inversor de silício de 1200 V comutando a 20 kHz pode fornecer aproximadamente 3 kW de potência. No entanto, ao comutar a 150 kHz, um inversor de carbeto de silício que fornece a mesma potência pode operar a uma temperatura mais alta em um encapsulamento com um terço do tamanho. Em comparação, os inversores baseados em Ga₂O₃ podem operar em frequências próximas a megahertz e podem ter metade do tamanho (embora isso exija componentes magnéticos que ainda não foram inventados).  
Em resumo, as verdadeiras propriedades eletrônicas de materiais como o Ga2O3 provêm da plena utilização da sua intensidade de campo elétrico crítica. Mas qual é exatamente esse valor? Até 2015, nenhum grupo havia realizado medições reais das intensidades de campo alcançáveis ​​pelo material. Assim como ocorre com outros dispositivos, os resultados preliminares estão longe dos limites teóricos.  
Meus colegas e eu estamos enfrentando esse desafio enquanto trabalhamos no Laboratório de Pesquisa da Força Aérea na Base Aérea de Wright-Patterson, em Ohio. O primeiro problema que encontramos foi que qualquer dispositivo feito com materiais com intensidades de campo tão elevadas tinha o potencial de exceder os limites dos equipamentos de teste existentes. Isso porque, em princípio, materiais de 2 mícrons podem bloquear mais de 1.5 kV! Então, construímos um MOSFET simples cuja geometria foi reduzida para diminuir a tensão. A distância entre o gate e o dreno, onde o campo elétrico é mais intenso, é de apenas 600 nanômetros. Isso se deve, em parte, à necessidade de facilitar a medição do pico de E_c, mas também porque queremos poder testar o dispositivo em frequências de radiofrequência, o que projetos maiores de alta tensão não permitem.  
Nesta demonstração inicial, os transistores foram capazes de suportar 230 V, que é o limite dos equipamentos de teste de RF. O campo elétrico médio gerado é de pelo menos 3.8 MV/cm, e simulações mostram que o pico do campo elétrico interno é de pelo menos 5.3 MV/cm. (Nunca observaremos os 8 MV/cm completos em um FET). Esta é a primeira demonstração experimental de que o Ga₂O₃ possui um valor de condutividade elétrica (CE) teórico maior que o do GaN (em torno de 3.3 MV/cm). Em outras palavras, a distância entre o gate e o dreno de um transistor de potência de GaN com tensão nominal de operação de 600 V é geralmente de cerca de 15 a 20 µm, e nosso comprimento de onda é de 600 nm.  
Após essa conclusão, os transistores de comutação de potência evoluíram a um ritmo alarmante. Em 2017, fabricamos MOSFETs com tensões de ruptura superiores a 600 V. No início de 2018, os valores de perda em alta frequência alcançados com MOSFETs de diferentes geometrias atingiram ou superaram os limites teóricos do silício. Além disso, temos agora um caminho claro para igualar ou superar os valores mais recentes do GaN nos próximos anos.  
    Foto: Novel Crystal Technology  
Ao contrário de muitos semicondutores de banda proibida larga, os wafers de óxido de gálio podem ser fabricados usando praticamente o mesmo processo que os wafers de silício. Portanto, isso significa que dispositivos sem defeitos podem se tornar relativamente baratos.  
Quando medimos o campo elétrico (E) de interruptores de potência em 2015, também especulamos que o Ga2O3 poderia ter sucesso semelhante em circuitos de radiofrequência, novamente permitindo campos elétricos mais intensos em dispositivos menores. Mas, naquela época, faltavam algumas informações importantes: não havia dados publicados sobre a velocidade dos elétrons no material em função do campo elétrico.  
A velocidade dos elétrons é particularmente importante em transistores usados ​​para amplificar sinais de radiofrequência. Em RF, alta potência de saída e alta frequência são os objetivos, e a figura de mérito de Johnson (JFOM) resume esses objetivos. A JFOM afirma que o produto da potência e da frequência de um transistor de RF é proporcional ao produto da velocidade máxima dos portadores de carga no material semicondutor e da energia de condutividade elétrica (Ec). O ponto crucial aqui é que, em um transistor de RF, a amplificação só ocorre se os portadores conseguirem percorrer todo o caminho da fonte ao dreno antes da inversão de polaridade do sinal de RF. (A frequência mais alta na qual isso ocorre é chamada de frequência de ganho de corrente unitário, ou fT.)
Novamente, o elevado campo elétrico crítico do Ga2O3 entra em ação, pois é possível reduzir essa distância crítica e ainda fornecer um campo elétrico forte para acelerar os elétrons até sua velocidade máxima.  
Na AFRL, conseguimos demonstrar o primeiro MOSFET de RF de óxido de gálio submicrométrico em 2017. Esses dispositivos apresentaram números impressionantes, embora não estejam no topo da categoria de GaN. Sua frequência de ganho de corrente unitária é de 3 GHz, sua frequência máxima de oscilação é de 13 GHz e sua densidade de potência de saída é de 230 mW/mm² a 800 MHz. Desde então, a densidade de potência de saída de RF pulsada da AFRL ultrapassou 500 mW/mm² a 1 GHz, com uma frequência máxima de oscilação próxima a 20 GHz.  
Ainda mais animador, por volta da mesma época, cálculos teóricos realizados por Krishnandu Ghosh e Uttam Singisetti (Universidade de Buffalo) mostraram que os valores de JFOM (Fator de Mérito de Jahn-Schuler) do óxido de gálio são significativamente melhores do que os do nitreto de gálio.  
Desde a primeira demonstração de capacidades de radiofrequência (RF) em 2017, a tecnologia de Ga2O3 para RF fez progressos extraordinários, primeiro com Sriram Krishnamoorthy e depois com a equipe de Siddharth Rajan na Universidade Estadual de Ohio, demonstrando técnicas de dopagem novas e aprimoradas. Essas tecnologias são derivadas do silício, portanto a resistência resultante na camada de material onde ocorre a condução é muito baixa, em torno de 300 ohms por quadrado. (Sim, essa é a unidade correta.) Isso é comparável ao que se encontra em dispositivos de nitreto de gálio. Pouco depois de alcançar esse resultado, Rajan e pesquisadores da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, demonstraram independentemente o Ga2O3 como um transistor de alta mobilidade de elétrons (HEMT).
Esse tipo de dispositivo geralmente é feito de arseneto de gálio ou nitreto de gálio, e as radiofrequências são cruciais tanto para celulares quanto para receptores de TV via satélite. Tais dispositivos conduzem eletricidade através de um gás de elétrons bidimensional que se forma na interface nítida entre dois semicondutores com diferentes gaps de energia. Nesse caso, trata-se de óxido de alumínio-gálio e óxido de gálio, exatamente como a tecnologia HEMT de arseneto de alumínio-gálio/arseneto de gálio comercial presente em smartphones. Esses avanços fundamentais abrem caminho para a expansão vertical e horizontal de equipamentos de radiofrequência.  
Embora esses avanços sejam encorajadores, é improvável que o Ga₂O₃ desafie o arseneto de gálio (GaAs) ou o GaN em todas as aplicações de radiofrequência. Como um bom interruptor fundamental, esperamos que ele apresente vantagens em amplificadores de modo de comutação, como os de Classe D, E ou F. Dentre esses dispositivos, o Ga₂O₃ possui baixíssima resistência de condução e pode atingir alta eficiência utilizando características de baixa corrente e alta tensão de ruptura. Por outro lado, aplicações que exigem menor impedância e alta corrente favorecerão o GaN, principalmente devido à sua maior mobilidade e densidade de portadores de carga.  
         

SoGa2O3Quais serão os desafios que enfrentará?

A primeira coisa a dizer é que o calcanhar de Aquiles deste material é a sua baixa condutividade térmica, particularmente baixa. De fato, entre todos os semicondutores considerados para amplificação de radiofrequência ou chaveamento de potência, este é o pior. A condutividade térmica do óxido de gálio é apenas um sexto da do diamante, um décimo da do SiC (o substrato para GaN de radiofrequência de alto desempenho) e um quinto da do silício. Curiosamente, é comparável à do GaAs de radiofrequência. A baixa condutividade térmica significa que o calor gerado no transistor provavelmente ficará retido, limitando significativamente a vida útil do dispositivo.  
Agora, considere o seguinte: para obter uma comparação precisa da condutividade térmica de um material com a de um dispositivo, é necessário normalizá-la pela capacidade do material de dissipar energia. Em outras palavras, é preciso dividir E por C para comparar com precisão os problemas térmicos em dispositivos reais. Ao fazer isso, descobrimos que todo semicondutor com um bandgap maior que o do silício apresenta problemas de dissipação de calor ao atingir seu potencial máximo, até mesmo o diamante. Embora esse fato ainda não ajude muito o Ga₂O₃, ele nos motiva a buscar maneiras melhores de dissipar o calor.  
Por exemplo, pesquisadores do Laboratório NICT de Tóquio melhoraram significativamente a resistência térmica do dispositivo ao unir SiC policristalino do tipo p à parte traseira de uma lâmina de silício Ga2O3 com apenas cerca de 10 micrômetros de espessura. Além disso, observando que, para certas topologias de dispositivos, praticamente todo o calor é gerado na camada superior de 1 µm do material, pesquisadores da AFRL obtiveram resultados promissores simulando o efeito do contato do eletrodo e utilizando materiais dielétricos para desviar o calor para um dissipador térmico. Essa é a técnica utilizada atualmente em transistores bipolares de heterojunção de arseneto de gálio comerciais. Portanto, apesar dos desafios térmicos do Ga2O3, engenheiros inteligentes estão trabalhando em soluções para superá-los.  
Outro problema, mais fundamental, é que só conseguimos fazer o óxido de gálio conduzir elétrons, e não lacunas. Ninguém consegue produzir um bom condutor do tipo p a partir de Ga₂O₃. E, para piorar a situação, as propriedades eletrônicas básicas do material não são muito promissoras. Em particular, o formato da condução de lacunas na porção da banda de valência da estrutura de bandas do material está incorreto. Portanto, mesmo que haja algum tipo de dopante que faça com que o receptor esteja no nível de energia correto, espera-se que quaisquer lacunas criadas fiquem aprisionadas antes de poderem contribuir para a condução. Quando a teoria e os dados são tão consistentes, é difícil dizer que existe uma maneira de contornar essa limitação.  
Embora essa vulnerabilidade crie desafios adicionais, nem tudo são flores. Muitos dispositivos com tecnologia exclusiva de operadoras de telefonia móvel obtiveram sucesso comercial. Como exemplo, basta observar a grande quantidade de carregadores de parede USB-C disponíveis no mercado.  
A fase de pesquisa da tecnologia de dispositivos de Ga2O3 acaba de atingir a massa crítica, e agora estamos planejando o espaço de aplicação para transistores de potência de comutação rápida, de múltiplos quilovolts, e dispositivos de radiofrequência (RF). Novas demonstrações de equipamentos da classe de quilovolts também estão surgindo regularmente. Transistores de RF com dimensões críticas na ordem de dezenas de nanômetros estão prestes a se tornar disponíveis. À medida que avançamos nessa tecnologia, acreditamos que seremos capazes de alcançar topologias de dispositivos que antes eram impossíveis em qualquer outro material.  
 

É claro que vamos quebrar algumas coisas (principalmente dielétricos) ao longo do processo. Mas essa é a definição de tecnologia disruptiva. Trocamos o que sabemos por desempenho potencial. Atualmente, para o Ga2O3, o potencial de desempenho supera em muito os problemas.

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