В мае 2002 года Лестер Ф. Истман и Умеш К. Мишра написали о перспективной на тот момент технологии в области силовых полупроводников:Нитрид галлия (GaN).  
В этой статье они выразили оптимизм по поводу перспектив нитрида галлия в тогда еще только зарождавшихся широкополосных беспроводных сетях, радарах и приложениях для коммутации силовых элементов в электросетях. Они также называют устройства на основе нитрида галлия«Самый надёжный транзистор из когда-либо созданных».  
Они правы. Широкая запрещенная зона GaN (энергия, необходимая для разрыва связанных электронов и обеспечения проводимости) и другие свойства позволяют нам использовать высокую устойчивость этого материала к электрическому полю, что дает возможность создавать устройства с беспрецедентными характеристиками.  
Сегодня нитрид галлия (GaN) является бесспорным лидером в области твердотельных радиочастотных силовых устройств, уже используемых в радарах, беспроводной связи 5G и вскоре станет обычным явлением в инверторах питания электромобилей. Теперь можно даже приобрести USB-зарядные устройства на основе GaN, которые обеспечивают значительно более высокую мощность при компактных размерах.  
Однако, даже если это так, мы все равно задаемся вопросом: есть ли что-нибудь лучше, чем GaN? Можно ли сделать радиочастотный усилитель более мощным и эффективным? Можно ли еще больше уменьшить размеры силовой электроники, снизив нагрузку на самолеты и автомобили? Можно ли найти материалы с большей шириной запрещенной зоны, которые все еще проводят электричество?  
Как оказалось, ответ — да.  
В действительности на рынке существует множество материалов с различной шириной запрещенной зоны, но особенности квантовой механики означают, что большинство из них вряд ли можно использовать в качестве полупроводников. Однако есть один перспективный кандидат: прозрачный проводящий оксид галлия (Ga2O3).  
Оксид галлия с его широкой запрещенной зоной, составляющей почти 5 эВ, значительно превосходит GaN (3.4 эВ), а по сравнению с кремнием (1.1 эВ) это преимущество сравнимо с марафоном. Известно, что алмаз и нитрид алюминия также имеют большую запрещенную зону, но они не обладают свойствами, которыми обладает Ga2O3, что является удачным сочетанием свойств, позволяющим создавать дешевые, но мощные устройства.  
Недостаточно, чтобы материал обладал широкой запрещенной зоной, потому что в этом случае все диэлектрики и керамика могут ею обладать, поэтому их можно использовать только в качестве изоляторов. Но оксид галлия обладает уникальным сочетанием свойств, которые могут сделать его очень полезным в качестве материала-кандидата для силовых переключателей и радиочастотной электроники.  
   

Иллюстрация: IEEE Spectrum. Источник: «Внедрение Ga2O3 в силовую электронику», доклад Грегга Х. Джессена и др. на 75-й ежегодной конференции по исследованиям устройств (DRC).

Среди пяти важнейших свойств полупроводников, наибольшее преимущество бета-оксида галлия заключается в высокой критической напряженности электрического поля. Это может способствовать созданию высоковольтных переключателей и позволить разрабатывать на их основе мощные радиочастотные устройства. Однако самым большим недостатком бета-оксида галлия является его низкая теплопроводность, что означает, что тепло может задерживаться внутри устройства.  
Кроме того, полезным свойством оксида галлия является возможность добавления носителей заряда для повышения его проводимости посредством процесса, называемого легированием. Легирование включает добавление контролируемого количества примесей в кристалл для контроля концентрации носителей заряда в полупроводнике. В кремнии, например, можно использовать ионную имплантацию с последующим отжигом для легирования кристалла фосфором (добавление свободных электронов) или бором (их удаление), что позволяет зарядам свободно перемещаться внутри него. В Ga2O3 электроны добавляются аналогичным образом.  
Но если попытаться применить этот подход к другим широкозонным оксидам, это может привести к разрушению кристаллов и образованию участков в кристаллической решетке, где застревают заряды.  
Способность оксида галлия к добавлению легирующих примесей с помощью стандартных процессов (так называемая ионная имплантация), а также в процессе эпитаксиального роста (осаждение дополнительных кристаллов) позволяет нам заимствовать ряд устоявшихся коммерческих технологий литографии и обработки. Эти методы позволяют относительно легко точно определять размеры транзисторов в десятках нанометров и создавать различные топологии устройств. Однако другие полупроводниковые материалы с широкой запрещенной зоной не обладают этой невероятно полезной особенностью. Даже нитрид галлия (GaN) не может этого обеспечить.  
Еще одно преимущество оксида галлия заключается в том, что, как это часто бывает, большие кремниевые пластины из кристаллического Ga2O3 очень легко изготавливать. Хотя существует несколько типов кристаллов Ga2O3, наиболее стабильным считается β-кристалл, за которым следуют ε- и α-кристаллы. Среди них β-Ga2O3 является объектом наиболее широкого исследования, главным образом благодаря усилиям таких учреждений, как Национальный институт материаловедения в Цукубе, Япония, и Институт кристаллографии им. Лейбница в Берлине.  
Наиболее привлекательным аспектом β-Ga2O3 является его термическая стабильность, что позволяет производить его с использованием ряда уже широко распространенных методов, включая метод Чохральского для изготовления кремниевых пластин. Мы также можем использовать метод выращивания кристаллов, называемый методом выращивания с заданными краями и подачей пленки. В настоящее время кристаллы можно выращивать даже с помощью высокомасштабируемой вертикальной технологии Бриджмена-Стокбаргера.  
Трудно переоценить, насколько эта ситуация отличается от ситуации с другими широкозонными полупроводниками. Однако, с нынешней точки зрения, за исключением карбида кремния (SiC), большинство перспективных широкозонных полупроводников не имеют подложек больших размеров, на которых можно выращивать крупные кристаллы. Это означает, что их приходится выращивать на диске из другого материала, что имеет свою цену. Например, нитрид галлия обычно выращивают на кремниевых, карбидовых или сапфировых подложках в сложном процессе. Но кристаллическая структура этих подложек явно отличается от структуры GaN, и это различие может создавать «несоответствие решеток» между подложкой и GaN, что приводит к большому количеству дефектов. Эти дефекты создавали множество проблем для производимого оборудования. Поскольку Ga2O3 выступает в качестве собственной подложки, несоответствий нет, а значит, нет и дефектов. Японская компания Novel Crystal Technology продемонстрировала β-Ga2O3 размером 150 мм.  
в Японском институте информационных и коммуникационных технологий (NICT)Масатака ХигашивакиОн первым осознал потенциал β-Ga2O3 в силовых коммутационных устройствах. В 2012 году он потряс всю область силовых приборов, когда его исследовательская группа сообщила о создании первого транзистора на основе монокристалла β-Ga2O3. Насколько хорош этот продукт? Например, одной из ключевых характеристик силового транзистора является напряжение пробоя — критическая точка, при которой нарушается способность полупроводника предотвращать протекание тока. Напряжение пробоя новаторского транзистора, представленного Хигасиваки, превышает 250 В. Для сравнения, GaN потребовалось почти два десятилетия, чтобы достичь этого результата.  
В своей основополагающей работе Хигасиваки описал, что им также удалось значительно снизить потери мощности устройства за счет использования материала с высокой критической напряженностью электрического поля. Эта характеристика, известная как Ec, является настоящей суперсилой оксида галлия.  
Проще говоря, если поместить материал между двумя проводниками и увеличить напряжение, E_c — это электрическое поле, при котором материал начинает проводить электричество. Зачастую это напряжение может привести к катастрофическим последствиям. Критическая напряженность поля для кремния обычно измеряется в сотнях киловольт на сантиметр, а для Ga_2O3 — в 8 мегавольт на сантиметр.  
 

Изображение: Научно-исследовательская лаборатория ВВС США

Герой высоковольтных устройств: изображенный выше транзистор на основе оксида галлия (показан при двух увеличениях (a и b) и в поперечном сечении (c)) поддерживает напряжение выше 200 вольт в пределах всего 600 нанометров.

Когда речь заходит об идеальных силовых транзисторах, одним из главных преимуществ является очень высокое значение E. В идеале устройство должно мгновенно переключаться между двумя состояниями: всегда включено (проводимость без сопротивления) и всегда выключено (полное отсутствие проводимости). Эти два крайних состояния требуют совершенно разных геометрических параметров устройства. Для выключенного состояния необходимо разместить более толстый слой материала между истоком и стоком транзистора, чтобы предотвратить проводимость и блокировать большие напряжения. Для включенного состояния необходима бесконечно тонкая область, чтобы она не имела сопротивления.  
Конечно, одновременно и того, и другого не бывает. Критическая напряженность электрического поля материала определяет, насколько тонкой может быть фактически сделана область, которая при этом останется закрытой.  
Ключевым показателем низкочастотных силовых полупроводниковых переключателей является так называемый коэффициент качества Балиги, названный в честь лауреата медали Почета IEEE Б. Джаянта Балиги. По сути, он показывает, насколько хорошо выходной сигнал устройства воспроизводит детали входного сигнала при высоких напряжениях. Это очень важное свойство для транзисторов, работающих в качестве переключателей на частотах до килогерцового диапазона. Такие устройства используются в оборудовании многокиловольтных подстанций, генераторах высокоэнергетических фотонов для медицинской визуализации, а также в силовых инверторах для электромобилей и промышленных электроприводов.  
Для всех этих и многих других применений Ga2O3 обладает естественными преимуществами. На этих частотах добротность пропорциональна кубу критического электрического поля. Такое высокое значение Ec означает хороший коэффициент качества.  
В основе математических расчетов лежит тот факт, что этот переключатель большую часть времени находится либо во включенном, либо в выключенном состоянии, и очень мало времени тратит на переключение между ними. Поэтому большая часть потерь мощности приходится на ток от резистора до момента включения устройства. При высоком значении Ec можно использовать более тонкие устройства, что означает меньшее сопротивление.  
Основная идея работы Хигашиваки проста: можно использовать мощные электрические поля высокой напряженности для достижения высоковольтного переключения, которое практически не теряет мощности на низких частотах. Другие исследовательские группы вскоре поняли это. К 2013 году исследователи продемонстрировали полевой транзистор на основе металл-оксид-полупроводника (MOSFET) с напряжением пробоя 370 В. В 2016 году Ман Хой Вонг, тогда работавший в группе Хигашиваки в NICT, использовал дополнительную структуру, называемую полевым осаждением, чтобы поднять напряжение выше 750 В. Среди этих устройств действительно поразительна относительная легкость, с которой Ga2O3 может достигать более высоких рабочих напряжений. Исследования материалов прошли долгий путь всего за несколько лет, в то время как на получение GaN-листа ушли десятилетия.  
Будет ли Ga2O3 полезен в быстродействующих источниках питания? Это еще один момент, на который все обращают внимание. Необходимо подчеркнуть, что E c также очень важен здесь и может принести Ga2O3 значительные преимущества.  
На более высоких частотах (например, от 100 Гц до 1 МГц) время включения и выключения устройства увеличивается пропорционально. Потери при переключении представляют собой произведение сопротивления устройства и количества заряда, которое должно накопиться на затворе транзистора для переключения. Простые вычисления показывают, что потери пропорциональны квадрату критической напряженности электрического поля, а не кубу на низких частотах.  
    Изображение: Научно-исследовательская лаборатория ВВС США  
На изображении выше показан оксид галлия.Потенциал применения радиочастотных технологий,Небольшая часть (собственная составляющая) этого раннего ВЧ-транзистора на основе оксида галлия имела важное значение для его работы. Снижение паразитного сопротивления в устройстве может увеличить мощность и частоту.  
Вы обнаружите, что в таком простом приложении, как зарядное устройство для мобильного телефона, более быстрое переключение питания принесет больше преимуществ. Импульсный источник питания работает следующим образом: сначала он выпрямляет переменное напряжение от розетки, а затем преобразует его в высокочастотный сигнал. Трансформатор понижает напряжение до необходимого уровня, и, наконец, сигнал выпрямляется и фильтруется. Наиболее громоздкими частями системы являются трансформаторы и другие пассивные компоненты, а более компактные компоненты можно использовать только при увеличении частоты. А если вам нужны более высокие частоты, полупроводник с более широкой запрещенной зоной и более высоким критическим электрическим полем позволит вам получить их более эффективно, а также упростит рассеивание тепла.  
Например, кремниевый инвертор на 1200 В, работающий на частоте 20 кГц, может обеспечить мощность около 3 кВт. Однако, при частоте переключения 150 кГц, инвертор на основе карбида кремния, обеспечивающий ту же мощность, может работать при более высокой температуре в корпусе, размер которого в три раза меньше. Для сравнения, инверторы на основе Ga2O3 могут работать на частотах, близких к мегагерцам, и быть вдвое меньше (хотя для этого потребуются магнитные компоненты, которые еще не изобретены).  
Таким образом, вкратце, истинные электронные свойства таких материалов, как Ga2O3, достигаются за счет полного использования их критической напряженности электрического поля. Но каково же это значение? До 2015 года ни одна группа исследователей не проводила фактических измерений напряженности поля, достижимой для этого материала. Как и в случае с другими устройствами, предварительные результаты далеки от теоретических пределов.  
Мы с коллегами столкнулись с этой проблемой, работая в Исследовательской лаборатории ВВС на базе ВВС Райт-Паттерсон в Огайо. Первая проблема заключалась в том, что любое устройство, изготовленное из материалов с такой высокой напряженностью поля, потенциально могло превысить пределы возможностей существующего испытательного оборудования. Ведь в принципе, материалы толщиной 2 микрона могут блокировать более 1.5 кВ! Поэтому мы создали простой MOSFET, геометрия которого была уменьшена для снижения напряжения. Зазор между затвором и стоком, где электрическое поле максимально, составляет всего 600 нанометров. Это частично сделано для упрощения измерения пикового Ec, а также потому, что мы хотим иметь возможность тестировать устройство на радиочастотах, что невозможно в более крупных высоковольтных конструкциях.  
В этой ранней демонстрации транзисторы смогли выдержать напряжение 230 В, что является пределом возможностей радиочастотного измерительного оборудования. Среднее генерируемое электрическое поле составляет не менее 3.8 МВ/см, а моделирование показывает, что пиковое внутреннее электрическое поле составляет не менее 5.3 МВ/см. (Мы никогда не увидим полного значения 8 МВ/см в полевом транзисторе). Это первая экспериментальная демонстрация того, что Ga2O3 имеет большее теоретическое значение электрического поля, чем GaN (около 3.3 МВ/см). Другими словами, зазор между затвором и стоком силового транзистора на основе GaN с номинальным рабочим напряжением 600 В обычно составляет около 15–20 мкм, а наша длина волны — 600 нм.  
После этого вывода развитие силовых транзисторов стало поразительно быстрым. В 2017 году мы начали производство MOSFET-транзисторов с напряжением пробоя более 600 В. В начале 2018 года значения высокочастотных потерь, достигнутые с использованием MOSFET-транзисторов различной геометрии, соответствовали или превосходили теоретические пределы кремния. Более того, теперь у нас есть четкий путь к тому, чтобы в ближайшие несколько лет сравняться или превзойти новейшие значения для GaN.  
    Фото: Новая кристаллическая технология  
В отличие от многих широкозонных полупроводников, пластины из оксида галлия можно изготавливать примерно по тому же процессу, что и кремниевые пластины. Следовательно, это означает, что устройства без дефектов могут стать относительно недорогими.  
Когда мы измеряли E силовых переключателей в 2015 году, мы также предположили, что Ga2O3 может добиться аналогичного успеха в радиочастотных схемах, опять же, за счет возможности создания более высоких электрических полей в меньших по размеру устройствах. Но в то время отсутствовала некоторая ключевая информация — не было опубликовано данных о скорости электронов в материале в зависимости от электрического поля.  
Скорость электронов особенно важна в транзисторах, используемых для усиления радиочастотных сигналов. В радиочастотах целями являются высокая выходная мощность и высокая частота, и показатель качества Джонсона (JFOM) суммирует эти цели. JFOM гласит, что произведение мощности и частоты радиочастотного транзистора пропорционально произведению максимальной скорости носителей заряда в полупроводниковом материале и Ec. Ключевой момент здесь заключается в том, что в радиочастотном транзисторе усиление происходит только в том случае, если носители заряда способны обеспечить их полный поток от истока до стока до переключения полярности радиочастотного сигнала. (Наивысшая частота, при которой это происходит, называется частотой единичного усиления по току, или fT.)
Опять же, в дело вступает высокое критическое электрическое поле Ga2O3, поскольку можно уменьшить критическое расстояние, но при этом сохранить сильное электрическое поле, позволяющее ускорять электроны до их максимальной скорости.  
В 2017 году в AFRL нам удалось продемонстрировать первый субмикронный ВЧ МОП-транзистор на основе оксида галлия. Эти устройства показали впечатляющие результаты, хотя и не входят в число лучших в области GaN. Частота их единичного усиления по току составляет 3 ГГц, максимальная частота генерации — 13 ГГц, а плотность выходной мощности — 230 мВт/мм² на частоте 800 МГц. С тех пор плотность импульсной ВЧ-мощности в AFRL превысила 500 мВт/мм² на частоте 1 ГГц, а максимальная частота генерации приблизилась к 20 ГГц.  
Ещё более обнадеживающими стали результаты теоретических расчётов, проведённых примерно в то же время Кришнанду Гошем и Уттамом Сингисетти (Университет Буффало), которые показали, что показатели JFOM для оксида галлия значительно лучше, чем для нитрида галлия.  
С момента первой демонстрации возможностей ВЧ-технологии в 2017 году, технология ВЧ Ga2O3 значительно продвинулась вперед: сначала благодаря Шрираму Кришнамурти, а затем команде Сиддхарта Раджана из Университета штата Огайо, продемонстрировавшей новые и улучшенные методы легирования. Эти технологии заимствованы из кремния, поэтому результирующее сопротивление в слое материала, где происходит проводимость, очень низкое, около 300 Ом на квадратный дюйм. (Да, это правильная единица измерения.) Это сопоставимо с сопротивлением, которое можно найти в устройствах на основе нитрида галлия. Вскоре после достижения этого результата Раджан и исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре независимо друг от друга продемонстрировали Ga2O3 в качестве транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT). D: agHEMT
Устройства такого типа обычно изготавливаются из арсенида галлия или нитрида галлия, а радиочастоты имеют решающее значение как для сотовых телефонов, так и для спутниковых телевизионных приемников. В таких устройствах проводимость обеспечивается двумерным электронным газом, образующимся на резкой границе раздела двух полупроводников с разными ширинами запрещенной зоны. В данном случае это оксид алюминия-галлия и оксид галлия, что в точности соответствует коммерческой технологии HEMT на основе арсенида алюминия-галлия/арсенида галлия, используемой в смартфонах. Эти ключевые прорывы открывают путь для вертикального и горизонтального расширения радиочастотного оборудования.  
Хотя эти достижения обнадеживают, Ga2O3 вряд ли сможет составить конкуренцию арсениду галлия (GaAs) или GaN во всех радиочастотных приложениях. Как принципиально хороший переключатель, мы ожидаем, что он будет иметь преимущества в импульсных усилителях, таких как усилители класса D, E или F. Среди этих устройств Ga2O3 обладает очень низким сопротивлением в открытом состоянии и может достигать очень высокой эффективности при низком токе и высоком напряжении пробоя. С другой стороны, в приложениях, требующих более низкого импеданса и высокого тока, предпочтение будет отдаваться GaN, главным образом из-за его более высокой подвижности и плотности носителей заряда.  
         

SoGa2O3С какими трудностями ей придётся столкнуться?

Прежде всего, следует отметить, что ахиллесова пята этого материала — плохая, даже крайне плохая теплопроводность. Фактически, из всех полупроводников, рассматриваемых для ВЧ-усиления или коммутации мощности, это худший материал. Теплопроводность оксида галлия составляет лишь одну шестую часть от теплопроводности алмаза, одну десятую от теплопроводности SiC (подложки для высокопроизводительных ВЧ GaN) и одну пятую от теплопроводности кремния. Интересно, что она сопоставима с теплопроводностью ВЧ GaAs. Низкая теплопроводность означает, что тепло, выделяемое в транзисторе, скорее всего, будет оставаться там, потенциально значительно сокращая срок службы устройства.  
Теперь давайте рассмотрим следующее: чтобы получить достоверное сравнение теплопроводности материала с теплопроводностью устройства, необходимо нормировать её относительно способности материала выдерживать мощность. Другими словами, для точного сравнения тепловых характеристик реальных устройств необходимо разделить E на C. В результате выясняется, что у каждого полупроводника с шириной запрещенной зоны больше, чем у кремния, возникают проблемы с рассеиванием тепла при достижении им полной мощности, даже у алмаза. Хотя этот факт всё ещё не сильно помогает Ga2O3, он побуждает нас искать лучшие способы рассеивания тепла.  
Например, исследователи из токийской лаборатории NICT значительно улучшили тепловое сопротивление устройства, соединив поликристаллический SiC p-типа с обратной стороной кремниевой пластины Ga2O3 толщиной всего около 10 микрон. Кроме того, отметив, что для некоторых топологий устройств практически всё тепло генерируется в верхнем 1 мкм материала, исследователи из AFRL получили обнадеживающие результаты, имитируя эффект контакта электродов и используя диэлектрические наполнители для отвода тепла к теплоотводу. Этот приём используется сегодня в коммерческих гетеропереходных биполярных транзисторах на основе арсенида галлия. Таким образом, несмотря на проблемы с теплоотводом в Ga2O3, умные инженеры работают над их решением.  
Другая, более фундаментальная проблема заключается в том, что мы можем заставить оксид галлия проводить только электроны, а не дырки. Никто не может создать хороший p-проводник из Ga2O3. И, что особенно досадно, основные электронные свойства материала не внушают оптимизма. В частности, форма проводимости дырок в валентной зоне зонной структуры материала неверна. Следовательно, даже если присутствует какой-либо легирующий элемент, который заставляет рецептор находиться на правильном энергетическом уровне, ожидается, что любые созданные дырки будут захватывать сами себя, прежде чем смогут внести вклад в проводимость. Когда теория и данные настолько согласуются, трудно сказать, что есть способ обойти этот недостаток.  
Хотя эта уязвимость создает дополнительные проблемы, не все так просто. Многие так называемые устройства, предназначенные только для большинства операторов связи, оказались коммерчески успешными. В качестве примера можно привести как можно больше настенных зарядных устройств с разъемом USB-C.  
На этапе исследований технологии Ga2O3 достигнута критическая масса, и сейчас мы планируем область применения для быстродействующих многокиловольтных силовых транзисторов и радиочастотных устройств. Регулярно появляются новые демонстрации оборудования киловольтного класса. Вскоре станут доступны радиочастотные транзисторы с критическими размерами в десятки нанометров. По мере развития этой технологии мы считаем, что сможем достичь топологий устройств, которые ранее были недоступны для любого другого материала.  
 

Конечно, по ходу дела мы будем ломать некоторые вещи (в основном, диэлектрики). Но в этом и заключается определение прорывной технологии. Мы обмениваем то, что знаем, на потенциальную производительность. В настоящее время для Ga2O3 потенциал производительности значительно перевешивает проблемы.

Предупреждение: Данная статья воспроизведена из издания "Semiconductor Industry Observation", которое поддерживает защиту прав интеллектуальной собственности. Пожалуйста, укажите первоисточник и автора перепечатки. В случае обнаружения каких-либо нарушений, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации.

Номер телефона компании: +86-0755-83044319
Факс: +86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Менеджер Ли

QQ: 332496225 Менеджер Цю

Адрес: Комната 809, корпус C, технологический корпус Чжаньтао, проспект Миньчжи, 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.