ในเดือนพฤษภาคม ปี 2002 เลสเตอร์ เอฟ. อีสต์แมน และอูเมช เค. มิชรา ได้เขียนเกี่ยวกับเทคโนโลยีการพัฒนาในระยะยาวในสาขาเซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้าในขณะนั้น:แกลเลียมไนไตรด์ (GaN)  
ในบทความนั้น พวกเขาแสดงความมองโลกในแง่ดีเกี่ยวกับโอกาสของแกลเลียมไนไตรด์ในเครือข่ายไร้สายบรอดแบนด์ที่เพิ่งเริ่มต้น เรดาร์ และการใช้งานสวิตช์พลังงานสำหรับโครงข่ายไฟฟ้า นอกจากนี้ พวกเขายังกล่าวถึงอุปกรณ์ GaN ว่าเป็น..."ทรานซิสเตอร์ที่ทนทานที่สุดเท่าที่เคยสร้างมา"  
พวกเขาพูดถูกแล้ว ช่องว่างพลังงานกว้างของ GaN (พลังงานที่จำเป็นในการทำลายพันธะอิเล็กตรอนและอำนวยความสะดวกในการนำไฟฟ้า) และคุณสมบัติอื่นๆ ทำให้เราสามารถใช้ประโยชน์จากความทนทานต่อสนามไฟฟ้าสูงของวัสดุนี้ ซึ่งส่งผลให้สามารถสร้างอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพที่ไม่เคยมีมาก่อน  
ปัจจุบัน GaN เป็นวัสดุที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในด้านการใช้งานพลังงาน RF แบบโซลิดสเตท โดยปรากฏให้เห็นแล้วในเรดาร์ ระบบไร้สาย 5G และในไม่ช้าก็จะกลายเป็นเรื่องปกติในอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า ตอนนี้คุณสามารถซื้อที่ชาร์จ USB ที่ออกแบบโดยใช้อุปกรณ์ GaN ซึ่งให้กำลังไฟสูงมากในขนาดที่กะทัดรัดได้แล้ว  
อย่างไรก็ตาม แม้จะเป็นเช่นนั้น เราก็ยังคงตั้งคำถามว่า มีอะไรที่ดีกว่า GaN หรือไม่? มีอะไรบ้างที่สามารถทำได้เพื่อให้เครื่องขยายสัญญาณ RF มีกำลังและประสิทธิภาพมากขึ้น? มีอะไรบ้างที่สามารถทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเล็กลงไปอีก เพื่อลดภาระให้กับเครื่องบินและรถยนต์? เราสามารถหาวัสดุที่มีช่องว่างพลังงานที่ใหญ่กว่าแต่ยังคงนำไฟฟ้าได้หรือไม่?  
ปรากฏว่าคำตอบคือใช่  
ในความเป็นจริง มีวัสดุที่มีช่องว่างพลังงานหลายระดับวางจำหน่ายในตลาด แต่ด้วยคุณสมบัติเฉพาะของกลศาสตร์ควอนตัม ทำให้วัสดุส่วนใหญ่แทบจะไม่สามารถนำมาใช้เป็นสารกึ่งตัวนำได้ อย่างไรก็ตาม มีวัสดุหนึ่งที่เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจอย่างยิ่ง นั่นคือ ออกไซด์นำไฟฟ้าโปร่งใสอย่างแกลเลียมออกไซด์ (Ga2O3)  
ด้วยช่องว่างพลังงานที่กว้างเกือบ 5 อิเล็กตรอนโวลต์ แกลเลียมออกไซด์จึงเหนือกว่าแกลเลียมไนไตรด์ (3.4 อิเล็กตรอนโวลต์) อย่างมาก และเมื่อเทียบกับซิลิคอน (1.1 อิเล็กตรอนโวลต์) แล้ว ช่องว่างพลังงานนี้ถือว่ากว้างมากราวกับระยะทางวิ่งมาราธอน เรารู้ว่าเพชรและอะลูมิเนียมไนไตรด์ก็มีช่องว่างพลังงานที่กว้างเช่นกัน แต่พวกมันไม่มีคุณสมบัติเหมือนกับแกลเลียมออกไซด์ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมที่สามารถนำมาใช้สร้างอุปกรณ์ราคาถูกแต่ทรงพลังได้  
การที่วัสดุมีช่องว่างพลังงานกว้างเพียงอย่างเดียวนั้นไม่เพียงพอ เพราะถ้าเป็นเช่นนั้น วัสดุไดอิเล็กทริกและเซรามิกทั้งหมดก็จะมีช่องว่างพลังงานกว้างเช่นกัน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมพวกมันจึงใช้ได้แค่เป็นฉนวนเท่านั้น แต่แกลเลียมออกไซด์มีคุณสมบัติเฉพาะตัวที่ผสมผสานกันอย่างลงตัว ซึ่งอาจทำให้มันมีประโยชน์อย่างมากในฐานะวัสดุสำหรับสวิตช์กำลังและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ RF  
   

ภาพประกอบ: IEEE Spectrum ที่มา: “การนำ Ga2O3 ไปประยุกต์ใช้ในด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง” นำเสนอโดย Gregg H. Jessen และคณะ ในการประชุมวิจัยอุปกรณ์ประจำปีครั้งที่ 75 (DRC)

ในบรรดาสมบัติทั้งห้าที่สำคัญต่อสารกึ่งตัวนำ ความแข็งแรงของสนามไฟฟ้าวิกฤตสูงเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดของเบตาแกลเลียมออกไซด์ ซึ่งอาจช่วยสร้างสวิตช์แรงดันสูงและอาจหมายความว่าสามารถออกแบบอุปกรณ์ RF ที่ทรงพลังโดยใช้สารกึ่งตัวนำนี้ได้ อย่างไรก็ตาม ข้อเสียที่สำคัญที่สุดของเบตาแกลเลียมออกไซด์คือการนำความร้อนต่ำ ซึ่งหมายความว่าความร้อนอาจถูกกักเก็บไว้ภายในอุปกรณ์  
นอกจากนี้ คุณสมบัติที่ดีอย่างหนึ่งของแกลเลียมออกไซด์คือ คุณสามารถเพิ่มตัวนำประจุเข้าไปเพื่อให้มันนำไฟฟ้าได้ดีขึ้นผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการเจือปน การเจือปนเกี่ยวข้องกับการเพิ่มสารเจือปนในปริมาณที่ควบคุมได้ลงในผลึกเพื่อควบคุมความเข้มข้นของตัวนำประจุในสารกึ่งตัวนำ ตัวอย่างเช่น ในซิลิคอน คุณสามารถใช้การฝังไอออนตามด้วยการอบอ่อนเพื่อเจือปนผลึกด้วยฟอสฟอรัส (เพิ่มอิเล็กตรอนอิสระ) หรือโบรอน (ลดอิเล็กตรอนอิสระ) ทำให้ประจุสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระภายในผลึก ใน Ga2O3 คุณก็เพิ่มอิเล็กตรอนในลักษณะเดียวกัน  
แต่ถ้าคุณพยายามใช้วิธีนี้กับออกไซด์ที่มีช่องว่างพลังงานกว้างอื่นๆ คุณอาจจะได้ผลึกที่แตกหักและจุดในโครงสร้างผลึกที่ประจุติดค้างอยู่  
ความสามารถในการปรับตัวของแกลเลียมออกไซด์ต่อการเติมสารเจือปนผ่านกระบวนการมาตรฐาน (เรียกว่าการฝังไอออน) รวมถึงระหว่างการเจริญเติบโตแบบเอพิเท็กเซียล (การวางผลึกเพิ่มเติม) ทำให้เราสามารถใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีการพิมพ์หินและการประมวลผลเชิงพาณิชย์ที่มีอยู่แล้วได้ วิธีการเหล่านี้ทำให้การกำหนดขนาดของทรานซิสเตอร์ได้อย่างแม่นยำในระดับหลายสิบนาโนเมตรและสร้างโครงสร้างอุปกรณ์ที่หลากหลายทำได้ค่อนข้างง่าย อย่างไรก็ตาม วัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ ที่มีช่องว่างแถบพลังงานกว้างไม่มีคุณสมบัติที่มีประโยชน์อย่างเหลือเชื่อนี้ แม้แต่แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ก็ไม่สามารถทำได้เช่นกัน  
ข้อดีอีกประการหนึ่งของแกลเลียมออกไซด์คือ การผลิตแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนขนาดใหญ่ของแกลเลียมออกไซด์ผลึก (Ga2O3) นั้นทำได้ง่ายมาก แม้ว่าจะมีผลึกแกลเลียมออกไซด์หลายประเภท แต่ประเภทที่เสถียรที่สุดเรียกว่า β รองลงมาคือ ε และ α ในบรรดาผลึกเหล่านี้ β-Ga2O3 ได้รับการวิจัยมากที่สุด โดยส่วนใหญ่เป็นผลมาจากความพยายามของสถาบันต่างๆ เช่น สถาบันวิทยาศาสตร์วัสดุแห่งชาติในเมืองสึกุบะ ประเทศญี่ปุ่น และสถาบันไลบ์นิซเพื่อการเพาะเลี้ยงผลึกในกรุงเบอร์ลิน  
จุดเด่นที่น่าสนใจที่สุดของ β-Ga2O3 คือความเสถียรทางความร้อน ซึ่งทำให้สามารถผลิตได้โดยใช้เทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลายอยู่แล้วหลายวิธี รวมถึงวิธี Czochralski สำหรับการผลิตแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน นอกจากนี้ยังสามารถใช้เทคนิคการเติบโตของผลึกที่เรียกว่า edge-defined, film-fed ได้อีกด้วย ปัจจุบันนี้ ผลึกยังสามารถเติบโตได้โดยใช้เทคนิค Bridgman-Stockbarger แนวตั้งที่ปรับขนาดได้สูง  
เป็นการยากที่จะกล่าวเกินจริงถึงความแตกต่างของสถานการณ์นี้จากสารกึ่งตัวนำที่มีแบนด์แก็ปขนาดกว้างอื่นๆ อย่างไรก็ตาม จากมุมมองในปัจจุบัน ยกเว้นซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) สารกึ่งตัวนำที่มีแบนด์แก็ปขนาดกว้างที่กำลังพัฒนาส่วนใหญ่ไม่มีพื้นผิวขนาดใหญ่ที่สามารถปลูกผลึกขนาดใหญ่ได้ ซึ่งหมายความว่าต้องปลูกบนแผ่นดิสก์ของวัสดุอื่น ซึ่งมีต้นทุนสูง ตัวอย่างเช่น แกลเลียมไนไตรด์มักจะปลูกบนพื้นผิวซิลิคอน ซิลิคอนคาร์ไบด์ หรือแซฟไฟร์ในกระบวนการที่ซับซ้อน แต่โครงสร้างผลึกของพื้นผิวเหล่านี้แตกต่างจาก GaN อย่างเห็นได้ชัด และความแตกต่างนี้สามารถสร้าง "ความไม่เข้ากันของแลตติส" ระหว่างพื้นผิวและ GaN ส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องจำนวนมาก ข้อบกพร่องเหล่านี้ทำให้เกิดปัญหามากมายสำหรับอุปกรณ์ที่ผลิตขึ้น เนื่องจาก Ga2O3 ทำหน้าที่เป็นพื้นผิวของตัวเอง จึงไม่มีความไม่เข้ากันและไม่มีข้อบกพร่อง บริษัท Novel Crystal Technology ของญี่ปุ่นได้แสดงให้เห็นถึง β-Ga2O3 ขนาด 150 มม.  
ณ สถาบันเทคโนโลยีสารสนเทศและการสื่อสารแห่งประเทศญี่ปุ่น (NICT)มาซาทากะ ฮิกาชิวากิเขาเป็นคนแรกที่ตระหนักถึงศักยภาพของ β-Ga2O3 ในการใช้งานสวิตช์พลังงาน ในปี 2012 เขาได้สร้างความตกตะลึงให้กับวงการอุปกรณ์ไฟฟ้าทั้งหมด หลังจากที่กลุ่มวิจัยของเขาได้รายงานการค้นพบทรานซิสเตอร์ β-Ga2O3 แบบผลึกเดี่ยวเป็นครั้งแรก ผลิตภัณฑ์นี้ดีแค่ไหน? ตัวอย่างเช่น หนึ่งในคุณสมบัติสำคัญของทรานซิสเตอร์กำลังคือแรงดันพังทลาย ซึ่งเป็นจุดวิกฤตที่ความสามารถของสารกึ่งตัวนำในการหยุดการไหลของกระแสไฟฟ้าจะพังทลายลง แรงดันพังทลายของทรานซิสเตอร์รุ่นบุกเบิกที่ฮิกาชิวากิแนะนำนั้นสูงกว่า 250 โวลต์ เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว GaN ต้องใช้เวลาเกือบสองทศวรรษกว่าจะบรรลุความสำเร็จนี้ได้  
ในงานวิจัยชิ้นสำคัญของพวกเขา ฮิงาชิวากิได้อธิบายว่าพวกเขายังลดการสูญเสียพลังงานของอุปกรณ์ลงอย่างมากด้วยการใช้วัสดุที่มีความแรงสนามไฟฟ้าวิกฤตสูง คุณลักษณะนี้ ซึ่งรู้จักกันในชื่อ Ec คือพลังพิเศษที่แท้จริงของแกลเลียมออกไซด์  
กล่าวโดยง่าย หากคุณวางวัสดุไว้ระหว่างตัวนำสองตัว และเพิ่มแรงดันไฟฟ้า ค่า E_c คือค่าสนามไฟฟ้าที่วัสดุเริ่มนำไฟฟ้า ซึ่งในหลายครั้ง แรงดันไฟฟ้านี้อาจก่อให้เกิดผลร้ายแรงได้ โดยทั่วไปแล้ว ค่าความแรงสนามไฟฟ้าวิกฤตของซิลิคอนจะวัดได้ในหน่วยหลายร้อยกิโลโวลต์ต่อเซนติเมตร ในขณะที่ค่าความแรงสนามไฟฟ้าวิกฤตของแกลเลียมออกไซด์ (Ga_2O3) อยู่ที่ 8 เมกะโวลต์ต่อเซนติเมตร  
 

ภาพ: ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพอากาศ

ฮีโร่แห่งแรงดันไฟฟ้าสูง: ทรานซิสเตอร์แกลเลียมออกไซด์ที่แสดงในภาพด้านบน (แสดงในภาพขยายสองระดับ (a และ b) และในภาพตัดขวาง (c)) สามารถรักษาแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า 200 โวลต์ได้ภายในระยะเพียง 600 นาโนเมตร

เมื่อพูดถึงทรานซิสเตอร์สวิตช์กำลังในอุดมคติ การมีค่า E ที่สูงมากถือเป็นหนึ่งในจุดเด่นที่สำคัญที่สุด ในอุดมคติแล้ว อุปกรณ์ควรสลับสถานะได้ทันทีระหว่างสองสถานะ คือ เปิดตลอดเวลา (นำไฟฟ้าโดยไม่มีความต้านทาน) และปิดตลอดเวลา (ไม่นำไฟฟ้าเลย) รูปทรงของอุปกรณ์ในสองสถานะสุดขั้วนี้แตกต่างกันมาก สำหรับสถานะปิด จำเป็นต้องใช้ชั้นวัสดุที่หนาขึ้นระหว่างแหล่งกำเนิดและขั้วระบายของทรานซิสเตอร์เพื่อป้องกันการนำไฟฟ้าและบล็อกแรงดันไฟฟ้าสูง สำหรับสถานะเปิด จำเป็นต้องใช้พื้นที่บางมากจนแทบไม่มีความต้านทาน  
แน่นอนว่า คุณไม่สามารถมีทั้งสองอย่างได้ ความแรงของสนามไฟฟ้าที่สำคัญของวัสดุจะเป็นตัวกำหนดว่าพื้นที่นั้นสามารถทำให้บางได้มากแค่ไหนจึงจะยังคงปิดสนิทได้  
ตัวชี้วัดสำคัญของเซมิคอนดักเตอร์สวิตช์กำลังไฟฟ้าความถี่ต่ำเรียกว่า ค่าคุณภาพบาลีกา (Baliga figure of merit) ซึ่งตั้งชื่อตาม บี. จายันต์ บาลีกา ผู้ได้รับเหรียญเกียรติยศของ IEEE โดยพื้นฐานแล้ว ค่านี้บ่งชี้ว่าเอาต์พุตของอุปกรณ์สามารถจำลองรายละเอียดของสัญญาณอินพุตที่แรงดันสูงได้ดีเพียงใด นี่เป็นคุณสมบัติที่สำคัญมากสำหรับทรานซิสเตอร์ที่ทำงานเป็นสวิตช์ที่ความถี่สูงถึงระดับกิโลเฮิร์ตซ์ อุปกรณ์ดังกล่าวพบได้ในอุปกรณ์สถานีไฟฟ้าย่อยหลายกิโลโวลต์ เครื่องกำเนิดโฟตอนพลังงานสูงสำหรับการถ่ายภาพทางการแพทย์ และอินเวอร์เตอร์กำลังไฟฟ้าสำหรับยานยนต์ไฟฟ้าและมอเตอร์ขับเคลื่อนอุตสาหกรรม  
สำหรับงานประยุกต์ใช้ทั้งหมดนี้และอีกมากมาย Ga2O3 มีข้อได้เปรียบโดยธรรมชาติ ที่ความถี่เหล่านี้ ค่าคุณภาพจะแปรผันตรงกับกำลังสามของสนามไฟฟ้าวิกฤต ค่า E c ที่สูงเช่นนี้หมายถึงค่าประสิทธิภาพที่ดี  
เบื้องหลังการคำนวณนี้คือข้อเท็จจริงที่ว่าสวิตช์นี้ใช้เวลาส่วนใหญ่อยู่ในสถานะเปิดเต็มที่หรือปิดเต็มที่ และใช้เวลาเพียงเล็กน้อยในการสลับระหว่างสองสถานะนี้ ดังนั้นการสูญเสียพลังงานส่วนใหญ่จึงเป็นเพียงกระแสไฟฟ้าจากตัวต้านทานไปยังอุปกรณ์เมื่ออุปกรณ์เปิดใช้งาน เมื่อค่า E c สูง จะสามารถใช้อุปกรณ์ที่บางกว่าได้ ซึ่งหมายถึงความต้านทานที่น้อยลง  
สาระสำคัญของงานวิจัยของฮิกาชิวากิเรียบง่าย คือ คุณสามารถใช้สนามไฟฟ้าที่มีกำลังสูงเพื่อสร้างการสวิตช์แรงดันสูงที่สูญเสียพลังงานน้อยที่ความถี่ต่ำ กลุ่มวิจัยอื่นๆ ก็เข้าใจสาระสำคัญนี้ในไม่ช้า ในปี 2013 นักวิจัยได้สาธิตทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กแบบโลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOSFET) ที่มีแรงดันพังทลาย 370 โวลต์ ในปี 2016 แมน ฮอย หว่อง ซึ่งขณะนั้นเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มฮิกาชิวากิที่ NICT ได้ใช้โครงสร้างเพิ่มเติมที่เรียกว่าการชุบสนามไฟฟ้าเพื่อผลักดันแรงดันไฟฟ้าให้สูงกว่า 750 โวลต์ ในบรรดาอุปกรณ์เหล่านี้ ความง่ายดายในการที่ Ga2O3 สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าใช้งานที่สูงขึ้นได้นั้นเป็นสิ่งที่น่าทึ่งอย่างแท้จริง การวิจัยด้านวัสดุได้ก้าวหน้าไปไกลมากในเวลาเพียงไม่กี่ปี ในขณะที่แผ่น GaN ต้องใช้เวลาหลายทศวรรษ  
Ga2O3 จะมีประโยชน์ในการใช้งานในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์ความเร็วสูงหรือไม่? นี่เป็นอีกประเด็นหนึ่งที่ทุกคนให้ความสนใจ จำเป็นต้องเน้นย้ำว่าค่า E c ก็มีความสำคัญมากเช่นกัน และอาจนำมาซึ่งข้อดีมากมายสำหรับ Ga2O3  
ที่ความถี่สูง (เช่น 100 เฮิรตซ์ ถึง 1 เมกะเฮิร์ตซ์) เวลาที่อุปกรณ์ใช้ในการเปิดและปิดจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วน การสูญเสียระหว่างการสวิตช์เป็นผลคูณของความต้านทานของอุปกรณ์และปริมาณประจุที่ต้องสะสมบนเกตของทรานซิสเตอร์เพื่อทำการสวิตช์ เมื่อคำนวณแล้ว หมายความว่าการสูญเสียจะเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของความแรงสนามไฟฟ้าวิกฤต ไม่ใช่กำลังสามที่ความถี่ต่ำ  
    ภาพ: ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพอากาศ  
ภาพด้านบนแสดงให้เห็นแกลเลียมออกไซด์ศักยภาพในการใช้งานด้าน RFส่วนประกอบเล็กๆ (ภายใน) ของทรานซิสเตอร์ RF แกลเลียมออกไซด์รุ่นแรกนี้มีความสำคัญต่อการทำงานของมัน การลดความต้านทานปรสิตในอุปกรณ์สามารถเพิ่มกำลังและความถี่ได้  
คุณจะพบว่าในแอปพลิเคชันที่เรียบง่ายอย่างเช่นที่ชาร์จโทรศัพท์มือถือ การสลับพลังงานที่เร็วขึ้นจะนำมาซึ่งประโยชน์มากกว่า แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งทำงานโดยการแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับจากปลั๊กไฟให้เป็นกระแสตรงก่อน แล้วจึงตัดเป็นสัญญาณความถี่สูง หม้อแปลงจะลดแรงดันไฟฟ้าลงให้เหลือระดับที่ต้องการ และสุดท้ายสัญญาณจะถูกแปลงเป็นกระแสตรงและกรอง ส่วนประกอบที่ใหญ่ที่สุดของระบบคือหม้อแปลงและส่วนประกอบแบบพาสซีฟอื่นๆ และจะสามารถใช้ส่วนประกอบขนาดเล็กกว่าได้ก็ต่อเมื่อความถี่เพิ่มขึ้นเท่านั้น และหากคุณต้องการความถี่ที่สูงขึ้น สารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างแถบพลังงานกว้างกว่าและสนามไฟฟ้าวิกฤตสูงกว่าจะช่วยให้คุณได้ความถี่นั้นอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ในขณะเดียวกันก็ช่วยลดการระบายความร้อนด้วย  
ตัวอย่างเช่น อินเวอร์เตอร์ซิลิคอน 1200V ที่สวิตช์ด้วยความถี่ 20kHz สามารถให้กำลังไฟได้ประมาณ 3kW อย่างไรก็ตาม หากใช้อินเวอร์เตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่สวิตช์ด้วยความถี่ 150kHz จะให้กำลังไฟเท่ากัน แต่สามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าในขนาดที่เล็กกว่าถึงหนึ่งในสาม ในทางเปรียบเทียบ อินเวอร์เตอร์ที่ใช้ Ga2O3 สามารถทำงานที่ความถี่ใกล้เคียงกับเมกะเฮิร์ตซ์และมีขนาดเล็กกว่าครึ่งหนึ่ง (แม้ว่าจะต้องใช้ส่วนประกอบแม่เหล็กซึ่งยังไม่ถูกคิดค้นขึ้นก็ตาม)  
สรุปได้ว่า คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่แท้จริงของวัสดุอย่างเช่น Ga2O3 มาจากการใช้ค่าความแรงสนามไฟฟ้าวิกฤตอย่างเต็มที่ แต่ค่าดังกล่าวมีค่าเท่าใดกันแน่? จนกระทั่งปี 2015 ยังไม่มีกลุ่มใดทำการวัดค่าความแรงสนามไฟฟ้าที่วัสดุนี้สามารถทำได้จริง เช่นเดียวกับอุปกรณ์อื่นๆ ผลลัพธ์เบื้องต้นจึงยังห่างไกลจากขีดจำกัดทางทฤษฎีมาก  
ผมและเพื่อนร่วมงานกำลังเผชิญกับความท้าทายนี้ขณะทำงานอยู่ที่ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพอากาศ ณ ฐานทัพอากาศไรท์-แพตเตอร์สัน รัฐโอไฮโอ ปัญหาแรกที่เราพบคือ อุปกรณ์ใดๆ ที่ผลิตโดยใช้วัสดุที่มีความแรงสนามสูงเช่นนี้ มีศักยภาพที่จะเกินขีดจำกัดของอุปกรณ์ทดสอบที่มีอยู่ เนื่องจากโดยหลักการแล้ว วัสดุขนาด 2 ไมครอนอาจกันแรงดันไฟฟ้าได้มากกว่า 1.5 กิโลโวลต์! ดังนั้นเราจึงสร้าง MOSFET แบบง่ายๆ ที่ลดขนาดรูปทรงเรขาคณิตลงเพื่อลดแรงดันไฟฟ้า ช่องว่างระหว่างเกตและเดรนซึ่งเป็นจุดที่มีสนามไฟฟ้าสูงสุดนั้นมีขนาดเพียง 600 นาโนเมตร ส่วนหนึ่งเพื่อทำให้การวัดค่า E_c สูงสุดง่ายขึ้น แต่ก็เป็นเพราะเราต้องการทดสอบอุปกรณ์ที่ความถี่ RF ซึ่งการออกแบบแรงดันสูงขนาดใหญ่ไม่สามารถทำได้  
ในการสาธิตเบื้องต้นนี้ ทรานซิสเตอร์สามารถทนต่อแรงดัน 230V ซึ่งเป็นขีดจำกัดของอุปกรณ์ทดสอบ RF ได้ สนามไฟฟ้าเฉลี่ยที่เกิดขึ้นมีค่าอย่างน้อย 3.8 MV/cm และการจำลองแสดงให้เห็นว่าสนามไฟฟ้าภายในสูงสุดมีค่าอย่างน้อย 5.3 MV/cm (เราจะไม่มีทางสังเกตเห็นค่า 8 MV/cm เต็มใน FET ได้) นี่เป็นการสาธิตเชิงทดลองครั้งแรกที่แสดงให้เห็นว่า Ga2O3 มีค่า EC ทางทฤษฎีที่สูงกว่า GaN (ประมาณ 3.3 MV/cm) กล่าวอีกนัยหนึ่ง ช่องว่างระหว่างเกตกับเดรนของทรานซิสเตอร์กำลัง GaN ที่มีแรงดันใช้งานที่กำหนด 600V มักจะอยู่ที่ประมาณ 15 ถึง 20 µm และความยาวคลื่นของเราคือ 600nm  
หลังจากได้ข้อสรุปนี้แล้ว ทรานซิสเตอร์สวิตช์กำลังก็ได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ในปี 2017 เราผลิต MOSFET ที่มีแรงดันพังทลายมากกว่า 600V ได้สำเร็จ ในช่วงต้นปี 2018 ค่าการสูญเสียความถี่สูงที่ได้จากการใช้ MOSFET ที่มีรูปทรงเรขาคณิตแตกต่างกันนั้น เทียบเท่าหรือเกินกว่าขีดจำกัดทางทฤษฎีของซิลิคอนแล้ว ยิ่งไปกว่านั้น ตอนนี้เรามีแนวทางที่ชัดเจนในการเทียบเท่าหรือเกินกว่าค่าล่าสุดของ GaN ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า  
    ภาพ: เทคโนโลยีคริสตัลใหม่  
แตกต่างจากสารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างพลังงานกว้างหลายชนิด แผ่นเวเฟอร์แกลเลียมออกไซด์สามารถผลิตได้โดยใช้กระบวนการเดียวกับแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน ดังนั้นจึงหมายความว่าอุปกรณ์ที่ปราศจากข้อบกพร่องอาจมีราคาถูกลงได้  
เมื่อเราวัดค่า E ของสวิตช์กำลังในปี 2015 เราก็คาดการณ์ว่า Ga2O3 อาจประสบความสำเร็จในทำนองเดียวกันในวงจร RF โดยการอนุญาตให้มีสนามไฟฟ้าที่สูงขึ้นในอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กกว่า แต่ในขณะนั้น ข้อมูลสำคัญบางอย่างยังขาดหายไป นั่นคือ ยังไม่มีข้อมูลที่ตีพิมพ์เกี่ยวกับการความเร็วของอิเล็กตรอนในวัสดุที่เป็นฟังก์ชันของสนามไฟฟ้า  
ความเร็วของอิเล็กตรอนมีความสำคัญอย่างยิ่งในทรานซิสเตอร์ที่ใช้ในการขยายสัญญาณความถี่วิทยุ ใน RF เป้าหมายคือ กำลังส่งสูงและความถี่สูง และค่าประสิทธิภาพของจอห์นสัน (JFOM) สรุปเป้าหมายเหล่านี้ไว้ JFOM กล่าวว่า ผลคูณของกำลังและความถี่ของทรานซิสเตอร์ RF เป็นสัดส่วนกับผลคูณของความเร็วสูงสุดของตัวนำประจุในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์และ Ec สิ่งสำคัญที่เราต้องรู้คือ ในทรานซิสเตอร์ RF จะมีการขยายสัญญาณก็ต่อเมื่อตัวนำสามารถไหลจากแหล่งกำเนิดไปยังปลายทางได้ก่อนที่ขั้วของรูปคลื่น RF จะเปลี่ยน (ความถี่สูงสุดที่เกิดเหตุการณ์นี้เรียกว่า ความถี่อัตราขยายกระแสต่อหน่วย หรือ f T)
อีกครั้งที่สนามไฟฟ้าวิกฤตสูงของ Ga2O3 เข้ามามีบทบาท เพราะคุณสามารถลดระยะวิกฤตนั้นลงได้ แต่ยังคงให้สนามไฟฟ้าที่แรงพอที่จะเร่งอิเล็กตรอนให้มีความเร็วสูงสุดได้  
ที่ AFRL เราประสบความสำเร็จในการสาธิตทรานซิสเตอร์ MOSFET RF ที่ทำจากแกลเลียมออกไซด์ขนาดเล็กกว่าไมครอนเป็นครั้งแรกในปี 2017 อุปกรณ์เหล่านี้แสดงประสิทธิภาพที่น่าประทับใจ แม้ว่าจะยังไม่ดีที่สุดในกลุ่ม GaN ก็ตาม ความถี่การขยายกระแสต่อหน่วยอยู่ที่ 3 GHz ความถี่การสั่นสูงสุดอยู่ที่ 13 GHz และความหนาแน่นของกำลังเอาต์พุตอยู่ที่ 230 mW/mm ที่ 800 MHz ตั้งแต่นั้นมา ความหนาแน่นของกำลังเอาต์พุต RF แบบพัลส์ของ AFRL ก็เกิน 500 mW/mm ที่ 1 GHz โดยมีความถี่การสั่นสูงสุดใกล้เคียง 20 GHz  
ที่น่ายินดียิ่งกว่านั้น ในช่วงเวลาเดียวกัน การคำนวณทางทฤษฎีโดย Krishnandu Ghosh และ Uttam Singisetti (มหาวิทยาลัยบัฟฟาโล) แสดงให้เห็นว่าค่า JFOM ของแกลเลียมออกไซด์ดีกว่าค่า JFOM ของแกลเลียมไนไตรด์อย่างมีนัยสำคัญ  
นับตั้งแต่การสาธิตความสามารถด้าน RF ครั้งแรกในปี 2017 เทคโนโลยี RF Ga2O3 ได้ก้าวหน้าอย่างมาก โดยเริ่มจาก Sriram Krishnamoorthy และต่อมาโดยทีมของ Siddharth Rajan ที่มหาวิทยาลัยโอไฮโอสเตท ซึ่งได้สาธิตเทคนิคการโดปแบบใหม่และปรับปรุงแล้ว เทคโนโลยีเหล่านี้ยืมมาจากซิลิคอน ดังนั้นความต้านทานที่เกิดขึ้นในแผ่นวัสดุที่เกิดการนำไฟฟ้าจึงต่ำมาก ประมาณ 300 โอห์มต่อตาราง (ใช่แล้ว นั่นคือหน่วยที่ถูกต้อง) ซึ่งเทียบได้กับสิ่งที่คุณจะพบในอุปกรณ์แกลเลียมไนไตรด์ ไม่นานหลังจากบรรลุผลลัพธ์นี้ Rajan และนักวิจัยที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บารา ได้สาธิต Ga2O3 ในฐานะทรานซิสเตอร์ความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูง (HEMT) อย่างอิสระ D: agHEMT
อุปกรณ์ประเภทนี้มักทำจากแกลเลียมอาร์เซไนด์หรือแกลเลียมไนไตรด์ และคลื่นความถี่วิทยุมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับทั้งโทรศัพท์มือถือและเครื่องรับสัญญาณโทรทัศน์ดาวเทียม อุปกรณ์ดังกล่าวทำงานโดยอาศัยก๊าซอิเล็กตรอนสองมิติที่ก่อตัวขึ้นที่ส่วนต่อประสานที่คมชัดระหว่างสารกึ่งตัวนำสองชนิดที่มีช่องว่างแถบพลังงานต่างกัน ในกรณีนี้คืออะลูมิเนียมแกลเลียมออกไซด์และแกลเลียมออกไซด์ ซึ่งคล้ายคลึงกับเทคโนโลยี HEMT อะลูมิเนียมแกลเลียมอาร์เซไนด์/แกลเลียมอาร์เซไนด์ที่ใช้ในสมาร์ทโฟนเชิงพาณิชย์อย่างมาก ความก้าวหน้าครั้งสำคัญเหล่านี้เปิดทางให้กับการขยายตัวทั้งในแนวดิ่งและแนวนอนของอุปกรณ์ RF  
แม้ว่าความก้าวหน้าเหล่านี้จะน่ายินดี แต่ Ga2O3 ก็ไม่น่าจะสามารถแข่งขันกับแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) หรือ GaN ในทุกการใช้งานด้าน RF ได้ ในฐานะที่เป็นสวิตช์ที่ดีโดยพื้นฐาน เราคาดว่ามันจะมีข้อได้เปรียบในแอมพลิฟายเออร์แบบสวิตช์โหมด เช่น คลาส D, E หรือ F ในบรรดาอุปกรณ์เหล่านี้ อุปกรณ์นี้มีค่าความต้านทานขณะเปิดต่ำมากและสามารถบรรลุประสิทธิภาพสูงมากโดยใช้กระแสต่ำและแรงดันพังทลายสูง ในทางกลับกัน การใช้งานอุปกรณ์ที่ต้องการอิมพีแดนซ์ต่ำและกระแสสูงจะนิยมใช้ GaN มากกว่า เนื่องจากมีความคล่องตัวของตัวนำประจุและความหนาแน่นของตัวนำประจุสูงกว่า  
         

SoGa2O3มันจะต้องเผชิญกับความท้าทายอะไรบ้าง?

สิ่งแรกที่ต้องกล่าวถึงคือ จุดอ่อนสำคัญของวัสดุนี้คือการนำความร้อนได้ไม่ดี หรือแย่มากเป็นพิเศษ ที่จริงแล้ว ในบรรดาเซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมดที่ใช้สำหรับการขยายสัญญาณ RF หรือการสวิตช์พลังงาน วัสดุนี้กลับนำความร้อนได้แย่ที่สุด ค่าการนำความร้อนของแกลเลียมออกไซด์นั้นต่ำกว่าเพชรถึงหนึ่งในหก ต่ำกว่า SiC (สารตั้งต้นสำหรับ RF GaN ประสิทธิภาพสูง) ถึงหนึ่งในสิบ และต่ำกว่าซิลิคอนถึงหนึ่งในห้า ที่น่าสนใจคือ ค่าการนำความร้อนของมันเทียบได้กับ RF GaAs การนำความร้อนต่ำหมายความว่าความร้อนที่เกิดขึ้นในทรานซิสเตอร์มีแนวโน้มที่จะคงอยู่ภายในนั้น ซึ่งอาจจำกัดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ได้อย่างมาก  
ทีนี้ลองพิจารณาดู: เพื่อให้ได้การเปรียบเทียบค่าการนำความร้อนของวัสดุกับอุปกรณ์อย่างแท้จริง คุณต้องปรับค่าให้เป็นมาตรฐานโดยคำนึงถึงความสามารถในการรับพลังงานของวัสดุนั้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง คุณต้องหารค่า E ด้วยค่า C เพื่อเปรียบเทียบปัญหาด้านความร้อนในอุปกรณ์จริงได้อย่างแม่นยำ เมื่อคุณทำเช่นนั้น คุณจะพบว่าสารกึ่งตัวนำทุกชนิดที่มีช่องว่างพลังงานมากกว่าซิลิคอนจะมีปัญหาเรื่องการระบายความร้อนเมื่อถึงศักยภาพสูงสุด แม้แต่เพชรก็ตาม แม้ว่าข้อเท็จจริงนี้จะยังไม่ช่วย Ga2O3 มากนัก แต่มันก็กระตุ้นให้เราพยายามหาวิธีที่ดีกว่าในการระบายความร้อน  
ตัวอย่างเช่น นักวิจัยที่ห้องปฏิบัติการ NICT ในโตเกียวได้ปรับปรุงความต้านทานความร้อนของอุปกรณ์ให้ดีขึ้นอย่างมากโดยการเชื่อม SiC แบบผลึกหลายเหลี่ยมชนิด p เข้ากับด้านหลังของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน Ga2O3 ที่บางเพียงประมาณ 10 ไมครอน และจากการสังเกตว่าสำหรับโครงสร้างอุปกรณ์บางประเภท ความร้อนเกือบทั้งหมดเกิดขึ้นในชั้นบนสุด 1 ไมครอนของวัสดุ นักวิจัยของ AFRL จึงได้ผลลัพธ์ที่น่าพอใจจากการจำลองผลกระทบของการสัมผัสของอิเล็กโทรดและใช้สารตัวเติมไดอิเล็กทริกเพื่อเบี่ยงเบนความร้อนไปยังตัวระบายความร้อน นี่คือเทคนิคที่ใช้ในปัจจุบันในทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์เฮเทอโรจังก์ชันแกลเลียมอาร์เซไนด์เชิงพาณิชย์ ดังนั้นแม้จะมีปัญหาด้านความร้อนใน Ga2O3 วิศวกรที่ชาญฉลาดก็ยังคงทำงานเพื่อแก้ไขปัญหานี้อยู่  
ปัญหาที่สำคัญกว่านั้นอีกประการหนึ่งคือ เราสามารถทำให้แกลเลียมออกไซด์นำไฟฟ้าได้เฉพาะอิเล็กตรอนเท่านั้น ไม่ใช่โฮล ไม่มีใครสามารถสร้างตัวนำชนิด p ที่ดีจาก Ga2O3 ได้ และที่น่าหงุดหงิดคือ คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานของวัสดุนี้ดูไม่ค่อยน่าสนใจนัก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง รูปทรงการนำไฟฟ้าของโฮลในส่วนของแถบวาเลนซ์ของโครงสร้างแถบพลังงานของวัสดุนั้นไม่ถูกต้อง ดังนั้น แม้ว่าจะมีสารเจือปนบางชนิดที่ทำให้ตัวรับอยู่ที่ระดับพลังงานที่ถูกต้อง โฮลที่เกิดขึ้นก็คาดว่าจะติดกับดักตัวเองก่อนที่จะสามารถนำไฟฟ้าได้ เมื่อทฤษฎีและข้อมูลสอดคล้องกันเช่นนี้ จึงยากที่จะบอกว่ามีวิธีใดที่จะแก้ไขข้อบกพร่องนี้ได้  
แม้ว่าช่องโหว่นี้จะสร้างความท้าทายเพิ่มเติม แต่ก็ไม่ได้ราบรื่นไปเสียทั้งหมด อุปกรณ์ที่ระบุว่าใช้งานได้เฉพาะกับผู้ให้บริการรายใหญ่หลายรายกลับประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์ ตัวอย่างเช่น ลองดูที่ที่ชาร์จติดผนัง USB-C จำนวนมากเท่าที่จะหาได้  
ขั้นตอนการวิจัยเทคโนโลยีอุปกรณ์ Ga2O3 เพิ่งเริ่มต้นเข้าสู่จุดที่สำคัญ และขณะนี้เรากำลังวางแผนพื้นที่การใช้งานสำหรับทรานซิสเตอร์กำลังสูงแบบสวิตช์เร็วหลายกิโลโวลต์ และอุปกรณ์ RF ปัจจุบันมีการสาธิตอุปกรณ์ระดับกิโลโวลต์ใหม่ๆ ออกมาอย่างสม่ำเสมอ ทรานซิสเตอร์ RF ที่มีขนาดสำคัญในระดับหลายสิบนาโนเมตรกำลังจะพร้อมใช้งาน เมื่อเราพัฒนาเทคโนโลยีนี้ต่อไป เราคิดว่าเราจะสามารถสร้างโครงสร้างอุปกรณ์ที่ไม่เคยมีมาก่อนในวัสดุอื่นๆ ได้  
 

แน่นอนว่าเราจะต้องเปลี่ยนแปลงอะไรบางอย่าง (โดยเฉพาะวัสดุฉนวน) ในระหว่างการพัฒนา แต่่นั่นแหละคือคำจำกัดความของเทคโนโลยีที่พลิกโฉมวงการ เราแลกความรู้ที่เรามีกับศักยภาพด้านประสิทธิภาพที่อาจเกิดขึ้น ปัจจุบันสำหรับ Ga2O3 ศักยภาพด้านประสิทธิภาพนั้นมีมากกว่าปัญหาอย่างมาก

ข้อสงวนสิทธิ์: บทความนี้คัดลอกมาจาก "Semiconductor Industry Observation" ซึ่งสนับสนุนการคุ้มครองสิทธิ์ในทรัพย์สินทางปัญญา โปรดระบุแหล่งที่มาและผู้เขียนต้นฉบับเมื่อนำไปเผยแพร่ซ้ำ หากพบการละเมิดลิขสิทธิ์ โปรดติดต่อเราเพื่อลบออก

หมายเลขโทรศัพท์ของบริษัท: +86-0755-83044319
โทรสาร: +86-0755-83975897
อีเมล์: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 ผู้จัดการหลี่

QQ: 332496225 ผู้จัดการชิว

ที่อยู่: ห้อง 809 อาคาร C อาคารเทคโนโลยีจ้านเทา เลขที่ 1079 ถนนหมินจือ เขตหลงหัวใหม่ เมืองเซินเจิ้น