Mayıs 2002'de Lester F. Eastman ve Umesh K. Mishra, o dönemde güç yarı iletkenleri alanında uzun vadeli bir geliştirme teknolojisi hakkında yazmışlardı:Galyum Nitrür (GaN).  
O makalede, o zamanlar yeni gelişmekte olan geniş bantlı kablosuz ağlarda, radarda ve elektrik şebekeleri için güç anahtarlama uygulamalarında galyum nitrürün (GaN) potansiyeli konusunda iyimserliklerini dile getirdiler. Ayrıca GaN cihazlarından şu şekilde bahsettiler:"Şimdiye kadar üretilmiş en sağlam transistör."  
Haklılar. GaN'nin geniş bant aralığı (bağlı elektronları koparmak ve iletimi kolaylaştırmak için gereken enerji) ve diğer özellikleri, bu malzemenin yüksek elektrik alan toleransından yararlanmamızı sağlayarak, benzeri görülmemiş performansa sahip cihazlar üretmemize olanak tanıyor.  
Günümüzde GaN, katı hal RF güç uygulamalarının tartışmasız şampiyonu olup, halihazırda radar ve 5G kablosuz ağlarda kullanılmaktadır ve yakında elektrikli araçlarda kullanılan güç invertörlerinde de yaygınlaşacaktır. Artık, kompakt boyutlarına rağmen önemli ölçüde yüksek güç seviyeleri sunan, GaN cihazlarına dayalı olarak tasarlanmış USB şarj cihazları bile satın alabilirsiniz.  
Ancak, durum böyle olsa bile, yine de şu soruyu soruyoruz: GaN'den daha iyi bir şey var mı? Bir RF amplifikatörünü daha güçlü ve verimli hale getirmek için yapılabilecek bir şey var mı? Güç elektroniğinin daha da küçülmesini sağlayarak uçak ve otomobiller üzerindeki yükü daha da hafifletebilecek bir şey var mı? Hala elektrik iletebilen, daha büyük bant aralıklarına sahip malzemeler bulabilir miyiz?  
Görünüşe göre cevap evet.  
Aslında piyasada birçok bant aralığına sahip malzeme bulunmaktadır, ancak kuantum mekaniğinin özgünlüğü nedeniyle bunların çoğu yarı iletken olarak neredeyse hiç kullanılamaz. Bununla birlikte, cazip bir aday var: şeffaf iletken oksit galyum oksit (Ga2O3).  
Yaklaşık 5 eV'lik geniş bant aralığıyla galyum oksit, GaN'den (3.4 eV) çok daha üstün ve silikonla (1.1 eV) karşılaştırıldığında ise bu üstünlük bir maraton kadar büyük. Elmas ve alüminyum nitrürün de geniş bant aralıklarına sahip olduğunu biliyoruz, ancak Ga2O3'ün sahip olduğu özelliklere sahip değiller; bu özellikler, ucuz ama güçlü cihazlar üretmek için kullanılabilecek şanslı bir özellikler kümesidir.  
Bir malzemenin geniş bant aralığına sahip olması yeterli değildir, çünkü eğer öyleyse, tüm dielektrikler ve seramikler de geniş bant aralığına sahip olabilir; bu nedenle sadece yalıtkan olarak kullanılabilirler. Ancak galyum oksit, onu güç anahtarları ve RF elektroniği için çok kullanışlı bir malzeme adayı haline getirebilecek benzersiz bir özellik kombinasyonuna sahiptir.  
   

Görsel: IEEE Spectrum Kaynağı: Gregg H. Jessen ve diğerleri tarafından 75. Yıllık Cihaz Araştırma Konferansı'nda (DRC) sunulan "Güç Elektroniği Uygulamaları için Ga2O3'ün Uygulanması".

Yarı iletkenler için hayati önem taşıyan beş özellik arasında, beta-galyum oksidin en büyük avantajı yüksek kritik elektrik alan şiddetidir. Bu, yüksek voltajlı anahtarların oluşturulmasına yardımcı olabilir ve bunlara dayalı güçlü RF cihazlarının tasarlanabileceği anlamına gelebilir. Bununla birlikte, beta-galyum oksidin en büyük dezavantajı düşük termal iletkenliğidir; bu da ısının cihazın içinde hapsolabileceği anlamına gelir.  
Ayrıca, galyum oksidin güzel bir özelliği de, katkılama adı verilen bir işlemle iletkenliğini artırmak için içine yük taşıyıcıları ekleyebilmenizdir. Katkılama, yarı iletken içindeki yük taşıyıcılarının konsantrasyonunu kontrol etmek için kristale kontrollü miktarlarda safsızlık eklemeyi içerir. Örneğin, silisyumda, iyon implantasyonu ve ardından tavlama işlemiyle kristali fosfor (serbest elektron ekleme) veya bor (elektron çıkarma) ile katkılayabilir ve böylece yüklerin içinde serbestçe hareket etmesini sağlayabilirsiniz. Ga2O3'te de benzer şekilde elektron eklenir.  
Ancak bu yaklaşımı diğer geniş bant aralıklı oksitlerle denerseniz, potansiyel olarak parçalanmış kristaller ve kafes yapısında yüklerin sıkıştığı noktalarla karşılaşırsınız.  
Galyum oksidin, standart işlemler (iyon implantasyonu olarak adlandırılır) ve epitaksiyel büyüme (ek kristallerin biriktirilmesi) sırasında katkı maddelerinin eklenmesine olan uyarlanabilirliği, bir dizi yerleşik ticari litografi ve işleme teknolojisinden yararlanmamızı sağlar. Bu yöntemler, transistör boyutlarını onlarca nanometre hassasiyetle tanımlamayı ve çeşitli cihaz topolojileri oluşturmayı nispeten kolaylaştırır. Bununla birlikte, geniş bant aralıklarına sahip diğer yarı iletken malzemeler bu inanılmaz derecede kullanışlı özelliğe sahip değildir. GaN bile bunu yapamaz.  
Galyum oksidin bir diğer avantajı da, bu tür malzemeler göz önüne alındığında, kristal yapılı Ga2O3'ün büyük silikon levhalarının üretilmesinin aslında çok kolay olmasıdır. Birkaç çeşit Ga2O3 kristali olmasına rağmen, en kararlı olanı β, ardından ε ve α kristalleri gelir. Bunlar arasında, özellikle Japonya'daki Tsukuba Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü ve Berlin'deki Leibniz Kristallzüchtung Enstitüsü gibi kurumların çabaları sayesinde, β-Ga2O3 üzerinde en çok araştırma yapılmıştır.  
β-Ga2O3'ün en çekici özelliği, termal kararlılığıdır; bu da silikon levhaların üretimi için kullanılan Czochralski yöntemi de dahil olmak üzere, halihazırda yaygın olarak kullanılan bir dizi teknik kullanılarak üretilmesine olanak tanır. Ayrıca kenar tanımlı, film beslemeli adı verilen bir kristal büyüme tekniği de kullanabiliriz. Günümüzde, kristaller son derece ölçeklenebilir dikey Bridgman-Stockbarger tekniği kullanılarak bile yetiştirilebilmektedir.  
Bu durumun diğer geniş bant aralıklı yarı iletkenlerden ne kadar farklı olduğunu abartmak zor. Bununla birlikte, mevcut bakış açısından, silisyum karbür (SiC) hariç, çoğu yeni ortaya çıkan geniş bant aralıklı yarı iletkenin, büyük kristallerin yetiştirilebileceği büyük boyutlu alt tabakaları yoktur. Bu, başka bir malzemeden yapılmış bir disk üzerinde yetiştirilmeleri gerektiği anlamına gelir ve bu da bir maliyet getirir. Örneğin, galyum nitrür tipik olarak karmaşık bir işlemle silisyum, silisyum karbür veya safir alt tabakalar üzerinde yetiştirilir. Ancak bu alt tabakaların kristal yapısı açıkça GaN'ninkinden farklıdır ve bu fark, alt tabaka ile GaN arasında "kafes uyumsuzluğu" yaratabilir ve bu da çok sayıda kusura yol açabilir. Bu kusurlar, üretilen ekipman için birçok probleme neden olmuştur. Ga2O3 kendi alt tabakası olarak hareket ettiği için, uyumsuzluk ve dolayısıyla kusur yoktur. Japonya'nın Yeni Kristal Teknolojisi, 150 mm β-Ga2O3'ü göstermiştir.  
Japonya Bilgi ve İletişim Teknolojileri Enstitüsü'nde (NICT)Masataka Higashiwakiβ-Ga2O3'ün güç anahtarlama uygulamalarındaki potansiyelini ilk fark eden kişiydi. 2012'de, araştırma grubu ilk tek kristalli β-Ga2O3 transistörünü bildirdikten sonra tüm güç cihazı alanını şok etti. Bu ürün ne kadar iyi? Örneğin, bir güç transistörünün temel özelliklerinden biri, yarı iletkenin akım akışını durdurma yeteneğinin bozulduğu kritik bir nokta olan kırılma gerilimidir. Higashiwaki tarafından tanıtılan öncü transistörün kırılma gerilimi 250V'tan daha büyüktür. Karşılaştırma yapmak gerekirse, GaN'nin bu başarıya ulaşması neredeyse yirmi yıl sürdü.  
Higashiwaki, çığır açan çalışmalarında, yüksek kritik elektrik alan şiddetine sahip bir malzeme kullanarak cihazın güç kayıplarını da önemli ölçüde azalttıklarını açıklamıştır. Ec olarak bilinen bu özellik, galyum oksidin gerçek süper gücüdür.  
Basitçe ifade etmek gerekirse, bir malzemeyi iki iletken arasına yerleştirip voltajı artırırsanız, E c, malzemenin elektriği iletmeye başladığı elektrik alanıdır. Bu voltaj çoğu zaman felaket sonuçlar doğurabilir. Silikonun kritik alan şiddeti tipik olarak santimetre başına yüzlerce kilovolt olarak ölçülürken, Ga2O3'ün kritik alan şiddeti santimetre başına 8 megavolttur.  
 

Resim: Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı

Yüksek voltaj kahramanı: Yukarıda resmedilen (iki farklı büyütme oranında (a ve b) ve kesit görünümünde (c) gösterilen) bu galyum oksit transistör, sadece 600 nanometre içinde 200 voltun üzerinde voltajları koruyor.

İdeal güç anahtarlama transistörlerini düşündüğünüzde, çok yüksek bir E değerine sahip olmak en büyük çekiciliklerinden biridir. İdeal olarak, cihaz iki durum arasında anında geçiş yapmalıdır: her zaman açık (dirençsiz iletim) ve her zaman kapalı (hiç iletim yok). Bu iki uç nokta, iki çok farklı cihaz geometrisine sahiptir. Kapalı durum için, iletimi önlemek ve büyük voltajları engellemek için transistörün kaynak ve drenajı arasına daha kalın bir malzeme tabakası yerleştirmeniz gerekir. Açık durum için ise, dirençsiz olması için sonsuz derecede ince bir alana ihtiyacınız vardır.  
Elbette, ikisine birden sahip olamazsınız. Malzemenin kritik elektrik alan şiddeti, alanın ne kadar ince yapılabileceğini ve yine de kapalı kalabileceğini belirler.  
Düşük frekanslı güç anahtarlama yarı iletkenlerinin temel göstergesi, IEEE Onur Madalyası sahibi B. Jayant Baliga'nın adını taşıyan Baliga performans göstergesi olarak adlandırılır. Esasen, cihazın çıkışının yüksek voltajlarda giriş sinyalinin ayrıntılarını ne kadar iyi yeniden ürettiğini gösterir. Bu, kilohertz aralığına kadar frekanslarda anahtar olarak çalışan transistörler için çok önemli bir özelliktir. Bu tür cihazlar, çok kilovoltluk trafo merkezi ekipmanlarında, tıbbi görüntüleme için yüksek enerjili foton jeneratörlerinde ve elektrikli araçlar ve endüstriyel motor sürücüleri için güç invertörlerinde bulunur.  
Tüm bu uygulamalar ve daha fazlası için Ga2O3 doğal avantajlara sahiptir. Bu frekanslarda, kalite faktörü kritik elektrik alanının küpüyle orantılıdır. Bu kadar yüksek bir E c değeri, iyi bir performans göstergesi anlamına gelir.  
Matematiğin ardındaki gerçek şu ki, bu anahtar zamanının çoğunu ya tamamen açık ya da tamamen kapalı konumda geçirir ve ikisi arasında geçiş yapmak için çok az zaman harcar. Dolayısıyla güç kaybının çoğu, cihaz açıldığında dirençten gelen akımdan kaynaklanır. E c yüksek olduğunda, daha ince cihazlar kullanılabilir, bu da daha az direnç anlamına gelir.  
Higashiwaki'nin çalışmasının mesajı basit: Yüksek elektrik alan şiddetleri kullanarak, düşük frekanslarda az güç kaybıyla yüksek voltajlı anahtarlama elde edebilirsiniz. Diğer araştırma grupları da kısa sürede bu mesajı aldı. 2013 yılına gelindiğinde, araştırmacılar 370V'luk bir kırılma voltajına sahip metal oksit yarı iletken alan etkili transistör (MOSFET) göstermişlerdi. 2016 yılında, o zamanlar NICT'nin Higashiwaki grubunun bir parçası olan Man Hoi Wong, voltajı 750V'un üzerine çıkarmak için alan kaplama adı verilen ek bir yapı kullandı. Bu cihazlar arasında, Ga2O3'ün daha yüksek çalışma voltajlarına ulaşma kolaylığı gerçekten dikkat çekicidir. Malzeme araştırmaları sadece birkaç yılda çok yol kat etti, oysa GaN yaprağı on yıllar sürdü.  
Ga2O3, hızlı anahtarlamalı güç kaynağı uygulamalarında kullanışlı olur mu? Bu da herkesin dikkatini çeken bir diğer nokta. Burada E c'nin de çok önemli olduğunu ve Ga2O3'e büyük avantajlar sağlayabileceğini vurgulamak gerekiyor.  
Daha yüksek frekanslarda (örneğin 100 Hz ila 1 MHz), bir cihazın açılıp kapanması için geçen süre orantılı olarak artar. Anahtarlama sırasındaki kayıplar, cihaz direnci ile transistör kapısında anahtarlama için birikmesi gereken yük miktarının çarpımıdır. Matematiksel olarak bu, kayıpların düşük frekanslarda kritik elektrik alan şiddetinin küpüyle değil, karesiyle orantılı olduğu anlamına gelir.  
    Resim: Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı  
Yukarıdaki resimde galyum oksit gösterilmektedir.RF uygulama potansiyeli,Bu erken dönem galyum oksit RF transistörünün küçük bir parçası (içsel) çalışması için önemliydi. Cihazdaki parazitik direnci azaltmak, gücü ve frekansı artırabilir.  
Basit bir cep telefonu şarj cihazında bile, daha hızlı güç anahtarlamasının daha fazla fayda sağlayacağını göreceksiniz. Anahtarlamalı güç kaynağı, önce duvar prizinden gelen AC voltajını doğrultarak ve ardından yüksek frekanslı bir sinyale bölerek çalışır. Transformatör, voltajı gerekli seviyeye düşürür ve son olarak sinyal doğrultulur ve filtrelenir. Sistemin en büyük parçaları transformatörler ve diğer pasif bileşenlerdir ve daha küçük bileşenler ancak frekans arttıkça kullanılabilir. Daha yüksek frekanslar istiyorsanız, daha geniş bant aralığına ve daha yüksek kritik elektrik alanına sahip bir yarı iletken, ısı dağılımını basitleştirirken bunu daha verimli bir şekilde elde etmenizi sağlayacaktır.  
Örneğin, 20 kHz'de anahtarlama yapan 1200V'luk bir silikon invertör yaklaşık 3 kW güç sağlayabilir. Bununla birlikte, aynı gücü sağlayan bir silisyum karbür invertör, 150 kHz'de anahtarlama yaparak daha yüksek bir sıcaklıkta ve üçte bir oranında daha küçük bir pakette çalışabilir. Karşılaştırma olarak, Ga2O3 tabanlı invertörler megahertz'e yakın frekanslarda çalışabilir ve yarı yarıya daha küçük olabilir (ancak bu, henüz icat edilmemiş manyetik bileşenler gerektirir).  
Özetle, Ga2O3 gibi malzemelerin gerçek elektronik özellikleri, kritik elektrik alan şiddetlerinin tam olarak kullanılmasından kaynaklanmaktadır. Peki bu değer tam olarak nedir? 2015 yılına kadar hiçbir grup, malzemenin ulaşabileceği alan şiddetlerinin gerçek ölçümlerini yapmamıştı. Diğer cihazlarda olduğu gibi, ön sonuçlar teorik sınırlardan oldukça uzaktır.  
Meslektaşlarım ve ben, Ohio, Wright-Patterson Hava Kuvvetleri Üssü'ndeki Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı'nda çalışırken bu zorlukla karşı karşıyayız. Karşılaştığımız ilk sorun, bu kadar yüksek alan şiddetine sahip malzemeler kullanılarak yapılan herhangi bir cihazın, mevcut test ekipmanının sınırlarını aşma potansiyeline sahip olmasıydı. Çünkü prensip olarak, 2 mikronluk malzemeler 1.5 kV'tan fazla akımı engelleyebilir! Bu nedenle, voltajı azaltmak için geometrisi küçültülmüş basit bir MOSFET ürettik. Elektrik alanının en yüksek olduğu kapı ve drenaj arasındaki boşluk sadece 600 nanometredir. Bu kısmen tepe Ec'yi ölçmeyi kolaylaştırmak içindir, ancak aynı zamanda daha büyük yüksek voltajlı tasarımların izin vermediği RF frekanslarında cihazı test edebilmek istediğimiz içindir.  
Bu ilk gösterimde, transistörler RF test ekipmanının limiti olan 230V'a dayanabildi. Oluşturulan ortalama elektrik alanı en az 3.8 MV/cm'dir ve simülasyonlar, tepe iç elektrik alanının en az 5.3 MV/cm olduğunu göstermektedir. (Bir FET'te tam 8 MV/cm'yi asla gözlemleyemeyiz.) Bu, Ga2O3'ün GaN'den (yaklaşık 3.3 MV/cm) daha büyük teorik EC değerine sahip olduğunun ilk deneysel gösterimidir. Başka bir deyişle, 600V nominal çalışma voltajına sahip bir GaN güç transistörünün kapı-drenaj aralığı genellikle yaklaşık 15 ila 20 µm'dir ve dalga boyumuz 600 nm'dir.  
Bu sonuca varıldıktan sonra, güç anahtarlama transistörleri endişe verici bir hızla gelişti. 2017'de, 600V'tan daha yüksek kırılma gerilimlerine sahip MOSFET'ler ürettik. 2018'in başlarında, farklı geometrilere sahip MOSFET'ler kullanılarak elde edilen yüksek frekans kayıp değerleri, silikonun teorik sınırlarını karşıladı veya aştı. Dahası, önümüzdeki birkaç yıl içinde en son GaN değerlerini yakalamaya veya aşmaya yönelik net bir yolumuz var.  
    Fotoğraf: Yeni Kristal Teknolojisi  
Birçok geniş bant aralıklı yarı iletkenin aksine, galyum oksit levhalar silikon levhalarla yaklaşık olarak aynı işlem kullanılarak üretilebilir. Bu nedenle, hatasız cihazların nispeten ucuz hale gelmesi mümkün olabilir.  
2015'te güç anahtarlarının E değerini ölçtüğümüzde, Ga2O3'ün daha küçük cihazlarda daha yüksek elektrik alanlarına izin vererek RF devrelerinde de benzer bir başarı yakalayabileceğini tahmin etmiştik. Ancak o zamanlar bazı önemli bilgiler eksikti; malzemedeki elektron hızının elektrik alanına bağlı olarak değişimine dair yayınlanmış veri yoktu.  
Radyo frekansı sinyallerini yükseltmek için kullanılan transistörlerde elektron hızı özellikle önemlidir. RF'de yüksek güç çıkışı ve yüksek frekans hedeflerdir ve Johnson'ın performans ölçütü (JFOM) bu hedefleri özetler. JFOM, bir RF transistörünün güç ve frekans çarpımının, yarı iletken malzemedeki yük taşıyıcılarının maksimum hızı ile Ec'nin çarpımıyla orantılı olduğunu söyler. Burada bilmemiz gereken en önemli şey, bir RF transistöründe, taşıyıcılar RF dalga formunun polaritesi değişmeden önce kaynaktan tahliyeye kadar akmayı başarabilirse ancak o zaman yükseltme elde edebileceğinizdir. (Bunun gerçekleştiği en yüksek frekansa birim akım kazanç frekansı veya f T denir.)
Yine, Ga2O3'ün yüksek kritik elektrik alanı devreye giriyor çünkü bu kritik mesafeyi azaltabilirsiniz ancak yine de elektronları maksimum hızlarına ivmelendirmek için güçlü bir elektrik alanı sağlayabilirsiniz.  
AFRL'de 2017 yılında ilk mikron altı galyum oksit RF MOSFET'i göstermeyi başardık. Bu cihazlar, GaN liginin zirvesinde olmasalar da, etkileyici rakamlar ortaya koydular. Birim akım kazanç frekansları 3 GHz, maksimum salınım frekansları 13 GHz ve 800 MHz'de çıkış güç yoğunlukları 230 mW/mm'dir. O zamandan beri, AFRL'nin darbeli RF güç çıkış yoğunluğu 1 GHz'de 500 mW/mm'yi aşarken, maksimum salınım frekansı 20 GHz'e yaklaştı.  
Daha da cesaret verici olanı, aynı dönemde Krishnandu Ghosh ve Uttam Singisetti (Buffalo Üniversitesi) tarafından yapılan teorik hesaplamalar, galyum oksidin JFOM değerlerinin galyum nitrürünkinden önemli ölçüde daha iyi olduğunu göstermiştir.  
2017'deki ilk RF yeteneklerinin gösteriminden bu yana, RF Ga2O3 teknolojisi, önce Sriram Krishnamoorthy ve ardından Ohio Eyalet Üniversitesi'ndeki Siddharth Rajan'ın ekibi tarafından yeni ve geliştirilmiş doping tekniklerinin gösterilmesiyle muazzam ilerleme kaydetti. Bu teknolojiler silikondan ödünç alınmıştır, bu nedenle iletimin gerçekleştiği malzeme tabakasındaki sonuçtaki direnç çok düşüktür, yaklaşık 300 ohm/kare. (Evet, doğru birim bu.) Bu, galyum nitrür cihazlarında bulacağınızla karşılaştırılabilir. Bu sonuca ulaştıktan kısa bir süre sonra, Rajan ve Kaliforniya Üniversitesi, Santa Barbara'daki araştırmacılar, Ga2O3'ü yüksek elektron hareketliliğine sahip bir transistör (HEMT) olarak bağımsız olarak gösterdiler. D: agHEMT
Bu tür cihazlar genellikle galyum arsenit veya galyum nitrürden yapılır ve radyo frekansları hem cep telefonları hem de uydu TV alıcıları için kritik öneme sahiptir. Bu tür cihazlar, farklı bant aralıklarına sahip iki yarı iletken arasındaki keskin arayüzde oluşan iki boyutlu bir elektron gazı aracılığıyla iletim yapar. Bu durumda, alüminyum galyum oksit ve galyum oksit söz konusudur ve bu, akıllı telefonlardaki ticari alüminyum galyum arsenit/galyum arsenit HEMT teknolojisine tamamen benzerdir. Bu önemli atılımlar, RF ekipmanının dikey ve yatay genişlemesi için bir yol açmaktadır.  
Bu gelişmeler cesaret verici olsa da, Ga2O3'ün her RF uygulamasında galyum arsenit (GaAs) veya GaN'ye rakip olması olası değildir. Temel olarak iyi bir anahtar olarak, D, E veya F sınıfı gibi anahtarlamalı yükselteçlerde avantajlara sahip olmasını bekliyoruz. Bu cihazlar arasında, cihaz çok düşük açık direnç değerine sahiptir ve düşük akım, yüksek kırılma gerilimi özellikleri kullanarak çok yüksek verimlilik elde edebilir. Öte yandan, daha düşük empedans ve yüksek akım gerektiren cihaz uygulamaları, esas olarak daha yüksek yük taşıyıcı hareketliliği ve yük taşıyıcı yoğunluğu nedeniyle GaN'yi tercih edecektir.  
         

SoGa2O3Ne gibi zorluklarla karşılaşacak?

Öncelikle belirtmek gerekir ki, bu malzemenin en büyük zaafı, ısıyı çok kötü iletmesidir. Aslında, RF yükseltme veya güç anahtarlama için düşünülen tüm yarı iletkenler arasında, bu en kötüsüdür. Galyum oksidin termal iletkenliği, elmasın altıda biri, SiC'nin (yüksek performanslı RF GaN için alt tabaka) onda biri ve silikonun beşte biridir. İlginç bir şekilde, RF GaAs ile karşılaştırılabilir düzeydedir. Düşük termal iletkenlik, transistörde üretilen ısının orada kalma olasılığının yüksek olduğu ve cihazın ömrünü önemli ölçüde sınırlayabileceği anlamına gelir.  
Şimdi şunu düşünün: Bir malzemenin termal iletkenliğini bir cihazla doğru bir şekilde karşılaştırmak için, onu malzemenin güç işleme kapasitesine göre normalize etmeniz gerekir. Başka bir deyişle, gerçek cihazlardaki termal sorunları doğru bir şekilde karşılaştırmak için E'yi C'ye bölmeniz gerekir. Bunu yaptığınızda, silikondan daha büyük bant aralığına sahip her yarı iletkenin, elmas da dahil olmak üzere, tam potansiyeline ulaştığında ısı dağıtım sorunları yaşadığını görürsünüz. Bu gerçek Ga2O3'e pek yardımcı olmasa da, ısıyı dağıtmanın daha iyi yollarını bulmaya çalışmamız için bizi motive ediyor.  
Örneğin, Tokyo'daki NICT Laboratuvarı'ndaki araştırmacılar, yaklaşık 10 mikron kalınlığındaki Ga2O3 silikon levhanın arka yüzüne p-tipi polikristalin SiC yapıştırarak cihazın termal direncini büyük ölçüde iyileştirdiler. Ayrıca, belirli cihaz topolojilerinde ısının neredeyse tamamının malzemenin üst 1 µm'sinde üretildiğini gözlemleyen AFRL araştırmacıları, elektrot temasının etkisini simüle ederek ve ısıyı bir ısı emiciye yönlendirmek için dielektrik dolgu maddeleri kullanarak cesaret verici sonuçlar elde ettiler. Bu, günümüzde ticari galyum arsenit heterojunction bipolar transistörlerde kullanılan yöntemdir. Dolayısıyla, Ga2O3'teki termal zorluklara rağmen, zeki mühendisler bu konu üzerinde çalışıyorlar.  
Daha temel bir sorun ise, galyum oksidin sadece elektronları iletebilmesi, delikleri iletememesidir. Hiç kimse Ga2O3'ten iyi bir p-tipi iletken üretemez. Ve daha da sinir bozucu olanı, malzemenin temel elektronik özelliklerinin pek umut vaat etmemesidir. Özellikle, malzemenin bant yapısının değerlik bandı kısmındaki delik iletim şekli yanlıştır. Bu nedenle, alıcının doğru enerji seviyesinde olmasına neden olan bir tür katkı maddesi olsa bile, oluşan deliklerin iletime katkıda bulunmadan önce kendilerini hapsetmesi beklenir. Teori ve veriler bu kadar tutarlı olduğunda, bu eksikliğin üstesinden gelmenin bir yolu olduğunu söylemek zordur.  
Bu güvenlik açığı ek zorluklar yaratsa da, her şey yolunda gitmiyor. Çoğunluk operatörünü destekleyen birçok cihaz ticari olarak başarılı oldu. Örneğin, piyasadaki USB-C duvar şarj cihazlarına bir bakın.  
Ga2O3 cihaz teknolojisinin araştırma aşaması kritik kütleye ulaşmaya yeni başladı ve şu anda hızlı anahtarlamalı, çok kilovoltluk güç transistörleri ve RF cihazları için uygulama alanını planlıyoruz. Kilovolt sınıfı ekipmanların yeni gösterimleri de düzenli olarak ortaya çıkıyor. Onlarca nanometre kritik boyutlara sahip RF transistörleri yakında kullanıma sunulacak. Bu teknolojiyi geliştirdikçe, daha önce başka hiçbir malzemede mümkün olmayan cihaz topolojilerine ulaşabileceğimizi düşünüyoruz.  
 

Elbette, ilerledikçe bazı şeyleri (özellikle dielektrikleri) bozacağız. Ama bu, yıkıcı teknolojinin tanımıdır. Bildiklerimizi potansiyel performansla takas ediyoruz. Şu anda Ga2O3 için performans potansiyeli sorunlardan çok daha ağır basıyor.

Yasal Uyarı: Bu makale, fikri mülkiyet haklarının korunmasını destekleyen "Yarı İletken Endüstrisi Gözlemi"nden yeniden yayınlanmıştır. Yeniden yayınlarken lütfen orijinal kaynağı ve yazarı belirtin. Herhangi bir telif hakkı ihlali durumunda, lütfen silinmesi için bizimle iletişime geçin.

Şirket telefon numarası: +86-0755-83044319
Faks: +86-0755-83975897
E-posta: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Yönetici Li

QQ: 332496225 Yönetici Qiu

Adres: Shenzhen, Longhua Yeni Bölgesi, Minzhi Caddesi No. 1079, Zhantao Teknoloji Binası, C Binası, Oda 809