Vào tháng 5 năm 2002, Lester F. Eastman và Umesh K. Mishra đã viết về một công nghệ phát triển dài hạn trong lĩnh vực bán dẫn công suất vào thời điểm đó:Gallium Nitride (GaN).  
Trong bài báo đó, họ bày tỏ sự lạc quan về triển vọng của gallium nitride trong các mạng không dây băng thông rộng mới nổi lúc bấy giờ, radar và các ứng dụng chuyển mạch điện cho lưới điện. Họ cũng đề cập đến các thiết bị GaN như là"Đây là loại transistor bền bỉ nhất từng được chế tạo".  
Họ nói đúng. Khoảng cách vùng cấm rộng của GaN (năng lượng cần thiết để phá vỡ các electron liên kết và tạo điều kiện dẫn điện) cùng các đặc tính khác cho phép chúng ta khai thác khả năng chịu đựng điện trường cao của vật liệu này, từ đó tạo ra các thiết bị với hiệu suất chưa từng có.  
Hiện nay, GaN là chất bán dẫn dẫn đầu không thể tranh cãi trong các ứng dụng công suất RF bán dẫn, đã xuất hiện trong radar, mạng không dây 5G và sẽ sớm trở nên phổ biến trong các bộ biến tần sử dụng trong xe điện. Giờ đây, bạn thậm chí có thể mua các bộ sạc USB được thiết kế dựa trên thiết bị GaN, cung cấp mức công suất cao đáng kể trong kích thước nhỏ gọn của chúng.  
Tuy nhiên, ngay cả khi điều đó là đúng, chúng ta vẫn tự hỏi, liệu có thứ gì tốt hơn GaN không? Liệu có thể làm gì để chế tạo bộ khuếch đại RF mạnh mẽ và hiệu quả hơn? Liệu có thể thu nhỏ các thiết bị điện tử công suất hơn nữa, giảm bớt gánh nặng cho máy bay và ô tô? Liệu chúng ta có thể tìm ra vật liệu có khe năng lượng lớn hơn mà vẫn dẫn điện được không?  
Hóa ra, câu trả lời là có.  
Trên thực tế, có nhiều vật liệu với các khe năng lượng khác nhau trên thị trường, nhưng tính chất đặc thù của cơ học lượng tử khiến cho hầu hết chúng khó có thể được sử dụng làm chất bán dẫn. Tuy nhiên, có một ứng cử viên đầy triển vọng: oxit dẫn điện trong suốt gali oxit (Ga2O3).  
Với dải năng lượng rộng gần 5 eV, gali oxit vượt trội hơn hẳn so với GaN (3.4 eV), và so với silic (1.1 eV), khoảng cách này lớn như một cuộc chạy marathon. Chúng ta biết rằng kim cương và nhôm nitrua cũng có dải năng lượng lớn, nhưng chúng không có những đặc tính mà Ga2O3 sở hữu, đó là một tập hợp các đặc tính may mắn có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị mạnh mẽ nhưng giá rẻ.  
Một vật liệu chỉ cần có dải năng lượng rộng là chưa đủ, bởi vì nếu vậy thì tất cả các chất điện môi và gốm sứ đều có thể có được, đó là lý do tại sao chúng chỉ có thể được sử dụng làm chất cách điện. Nhưng gali oxit lại sở hữu sự kết hợp độc đáo các đặc tính có thể khiến nó trở nên rất hữu ích như một vật liệu tiềm năng cho các công tắc nguồn và thiết bị điện tử tần số vô tuyến (RF).  
   

Hình minh họa: IEEE Spectrum. Nguồn: “Ứng dụng Ga2O3 trong Điện tử Công suất” do Gregg H. Jessen và cộng sự trình bày tại Hội nghị Nghiên cứu Thiết bị Thường niên lần thứ 75 (DRC).

Trong số năm đặc tính quan trọng đối với chất bán dẫn, cường độ điện trường tới hạn cao là ưu điểm lớn nhất của oxit beta-gali. Điều này có thể giúp tạo ra các công tắc điện áp cao và có nghĩa là các thiết bị RF mạnh mẽ có thể được thiết kế dựa trên chúng. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của oxit beta-gali là độ dẫn nhiệt thấp, có nghĩa là nhiệt có thể bị giữ lại bên trong thiết bị.  
Ngoài ra, một đặc tính tốt của gali oxit là bạn có thể thêm các hạt tải điện vào nó để làm cho nó dẫn điện tốt hơn thông qua một quá trình gọi là pha tạp. Pha tạp bao gồm việc thêm một lượng tạp chất được kiểm soát vào tinh thể để kiểm soát nồng độ các hạt tải điện trong chất bán dẫn. Ví dụ, trong silic, bạn có thể sử dụng phương pháp cấy ion sau đó là ủ nhiệt để pha tạp tinh thể với phốt pho (thêm các electron tự do) hoặc boron (loại bỏ chúng), cho phép các điện tích di chuyển tự do bên trong nó. Trong Ga2O3, bạn thêm electron theo cách tương tự.  
Nhưng nếu bạn thử áp dụng phương pháp này với các oxit có khe năng lượng rộng khác, bạn có thể sẽ gặp phải tình trạng tinh thể bị vỡ và các điểm trong mạng tinh thể nơi điện tích bị kẹt lại.  
Khả năng thích ứng của oxit gali với việc bổ sung chất pha tạp thông qua các quy trình tiêu chuẩn (gọi là cấy ion) cũng như trong quá trình tăng trưởng epitaxy (lắng đọng thêm các tinh thể) cho phép chúng ta tận dụng một số công nghệ khắc quang và xử lý thương mại đã được thiết lập. Những phương pháp này giúp việc xác định chính xác kích thước transistor trong phạm vi hàng chục nanomet và tạo ra nhiều cấu trúc thiết bị khác nhau trở nên tương đối dễ dàng. Tuy nhiên, các vật liệu bán dẫn khác có dải năng lượng rộng lại không có đặc tính vô cùng hữu ích này. Ngay cả GaN cũng không thể làm được điều đó.  
Một ưu điểm khác của gali oxit là, xét về tổng thể, việc chế tạo các tấm silicon lớn chứa tinh thể Ga2O3 thực sự rất dễ dàng. Mặc dù có một số loại tinh thể Ga2O3, loại ổn định nhất được gọi là β, tiếp theo là ε và α. Trong số đó, β-Ga2O3 được nghiên cứu nhiều nhất, chủ yếu là nhờ nỗ lực của các viện nghiên cứu như Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia ở Tsukuba, Nhật Bản và Viện Leibniz về Tinh thể học ở Berlin.  
Điểm hấp dẫn nhất của β-Ga2O3 là tính ổn định nhiệt, cho phép sản xuất nó bằng nhiều kỹ thuật đã được sử dụng rộng rãi, bao gồm phương pháp Czochralski để sản xuất tấm silicon. Chúng ta cũng có thể sử dụng kỹ thuật nuôi cấy tinh thể gọi là nuôi cấy màng định hình cạnh. Hiện nay, tinh thể thậm chí có thể được nuôi cấy bằng kỹ thuật Bridgman-Stockbarger thẳng đứng có khả năng mở rộng quy mô cao.  
Khó có thể nói quá lời về sự khác biệt của tình huống này so với các chất bán dẫn có dải năng lượng rộng khác. Tuy nhiên, từ góc nhìn hiện tại, ngoại trừ silicon carbide (SiC), hầu hết các chất bán dẫn có dải năng lượng rộng mới nổi đều không có chất nền kích thước lớn để có thể nuôi cấy các tinh thể lớn. Điều này có nghĩa là chúng phải được nuôi cấy trên một đĩa vật liệu khác, điều này tốn kém chi phí. Ví dụ, gallium nitride thường được nuôi cấy trên chất nền silicon, silicon carbide hoặc sapphire trong một quy trình phức tạp. Nhưng cấu trúc tinh thể của các chất nền này rõ ràng khác với cấu trúc của GaN, và sự khác biệt này có thể tạo ra "sự không khớp mạng tinh thể" giữa chất nền và GaN, dẫn đến một số lượng lớn khuyết tật. Những khuyết tật này gây ra nhiều vấn đề cho các thiết bị được sản xuất. Bởi vì Ga2O3 hoạt động như chất nền của chính nó, nên không có sự không khớp và do đó không có khuyết tật. Công nghệ Tinh thể Mới của Nhật Bản đã chứng minh được β-Ga2O3 kích thước 150 mm.  
tại Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông Nhật Bản (NICT)Masataka HigashiwakiHigashiwaki là người đầu tiên nhận ra tiềm năng của β-Ga2O3 trong các ứng dụng chuyển mạch nguồn. Năm 2012, ông đã gây chấn động toàn bộ lĩnh vực thiết bị điện tử công suất sau khi nhóm nghiên cứu của ông báo cáo về transistor β-Ga2O3 đơn tinh thể đầu tiên. Sản phẩm này tốt đến mức nào? Ví dụ, một trong những thông số kỹ thuật quan trọng của transistor công suất là điện áp đánh thủng, một điểm tới hạn mà tại đó khả năng ngăn chặn dòng điện của chất bán dẫn bị phá vỡ. Điện áp đánh thủng của transistor tiên phong do Higashiwaki giới thiệu lớn hơn 250V. Để so sánh, GaN phải mất gần hai thập kỷ mới đạt được thành tựu này.  
Trong công trình nghiên cứu tiên phong của mình, Higashiwaki đã mô tả rằng họ cũng đã giảm đáng kể tổn thất năng lượng của thiết bị bằng cách sử dụng vật liệu có cường độ điện trường tới hạn cao. Đặc tính này, được gọi là Ec, chính là sức mạnh thực sự của oxit gali.  
Nói một cách đơn giản, nếu bạn kẹp một vật liệu giữa hai dây dẫn và tăng điện áp, E_c là điện trường mà tại đó vật liệu bắt đầu dẫn điện. Nhiều khi, điện áp này có thể dẫn đến những hậu quả tai hại. Điện trường tới hạn của silicon thường được đo bằng hàng trăm kilovolt trên centimet, trong khi điện trường tới hạn của Ga_2O3 là 8 megavolt trên centimet.  
 

Ảnh: Phòng thí nghiệm nghiên cứu Không quân

Anh hùng điện áp cao: Transistor oxit gali được minh họa ở trên (hiển thị ở hai độ phóng đại (a và b) và mặt cắt ngang (c)) duy trì điện áp trên 200 vôn chỉ trong vòng 600 nanomet.

Khi nghĩ về các transistor chuyển mạch công suất lý tưởng, việc có E rất cao là một trong những điểm hấp dẫn lớn nhất. Lý tưởng nhất, thiết bị sẽ chuyển mạch tức thời giữa hai trạng thái: luôn bật (dẫn điện không có điện trở) và luôn tắt (không dẫn điện). Hai trạng thái cực đoan này có hai hình dạng thiết bị rất khác nhau. Đối với trạng thái tắt, bạn cần đặt một lớp vật liệu dày hơn giữa cực nguồn và cực thoát của transistor để ngăn chặn sự dẫn điện và chặn điện áp lớn. Đối với trạng thái bật, bạn cần một vùng cực mỏng để nó không có điện trở.  
Dĩ nhiên, bạn không thể có cả hai. Cường độ điện trường tới hạn của vật liệu quyết định độ mỏng tối đa mà vùng đó có thể được đóng kín.  
Chỉ số quan trọng của các chất bán dẫn chuyển mạch công suất tần số thấp được gọi là chỉ số chất lượng Baliga, được đặt theo tên của B. Jayant Baliga, người nhận Huy chương Danh dự của IEEE. Về cơ bản, nó cho biết mức độ tái tạo chi tiết của tín hiệu đầu ra của thiết bị ở điện áp cao. Đây là một đặc tính rất quan trọng đối với các transistor hoạt động như các công tắc ở tần số lên đến dải kilohertz. Các thiết bị như vậy được tìm thấy trong thiết bị trạm biến áp nhiều kilovolt, máy phát photon năng lượng cao cho hình ảnh y tế và bộ biến tần cho xe điện và bộ điều khiển động cơ công nghiệp.  
Đối với tất cả các ứng dụng này và hơn thế nữa, Ga2O3 đều có những ưu điểm vượt trội. Ở những tần số này, hệ số chất lượng tỷ lệ thuận với lập phương của điện trường tới hạn. Giá trị E c cao như vậy đồng nghĩa với chỉ số chất lượng tốt.  
Đằng sau phép tính là thực tế rằng công tắc này dành phần lớn thời gian ở trạng thái bật hoàn toàn hoặc tắt hoàn toàn, và rất ít thời gian để chuyển đổi giữa hai trạng thái đó. Vì vậy, phần lớn tổn thất điện năng chỉ là dòng điện từ điện trở đến khi thiết bị được bật. Khi E c cao, có thể sử dụng các thiết bị mỏng hơn, điều đó có nghĩa là điện trở nhỏ hơn.  
Thông điệp từ công trình của Higashiwaki rất đơn giản: Bạn có thể sử dụng cường độ điện trường cao để đạt được khả năng chuyển mạch điện áp cao mà tổn thất rất ít năng lượng ở tần số thấp. Các nhóm nghiên cứu khác nhanh chóng nắm bắt được thông điệp này. Đến năm 2013, các nhà nghiên cứu đã chứng minh được một transistor hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại (MOSFET) với điện áp đánh thủng là 370V. Năm 2016, Man Hoi Wong, khi đó là thành viên của nhóm Higashiwaki tại NICT, đã sử dụng một cấu trúc bổ sung gọi là mạ điện trường để đẩy điện áp lên trên 750V. Trong số các thiết bị này, khả năng đạt được điện áp hoạt động cao hơn một cách tương đối dễ dàng với Ga2O3 thực sự đáng chú ý. Nghiên cứu về vật liệu đã tiến bộ vượt bậc chỉ trong vài năm, trong khi việc phát triển lá GaN mất hàng thập kỷ.  
Liệu Ga2O3 có hữu ích trong các ứng dụng nguồn điện chuyển mạch nhanh không? Đây là một điểm khác mà mọi người đều quan tâm. Cần nhấn mạnh rằng E c cũng rất quan trọng ở đây và có thể mang lại những lợi thế lớn cho Ga2O3.  
Ở tần số cao hơn (chẳng hạn như từ 100 Hz đến 1 MHz), thời gian để thiết bị bật và tắt tăng tỷ lệ thuận. Tổn thất trong quá trình chuyển mạch là tích của điện trở của thiết bị và lượng điện tích cần tích tụ trên cổng transistor để chuyển mạch. Tính toán cho thấy, ở tần số thấp, tổn thất tỷ lệ thuận với bình phương cường độ điện trường tới hạn, chứ không phải lập phương.  
    Ảnh: Phòng thí nghiệm nghiên cứu Không quân  
Hình ảnh trên cho thấy oxit gali.Tiềm năng ứng dụng RF,Một phần nhỏ (nội tại) của transistor RF oxit gali đời đầu này rất quan trọng đối với hoạt động của nó. Giảm điện trở ký sinh trong thiết bị có thể làm tăng công suất và tần số.  
Bạn sẽ thấy rằng trong một ứng dụng đơn giản như bộ sạc điện thoại di động, việc chuyển mạch nguồn nhanh hơn sẽ mang lại nhiều lợi ích hơn. Bộ nguồn chuyển mạch hoạt động bằng cách đầu tiên chỉnh lưu điện áp xoay chiều từ ổ cắm điện và sau đó cắt nó thành tín hiệu tần số cao. Biến áp giảm điện áp xuống mức cần thiết và cuối cùng tín hiệu được chỉnh lưu và lọc. Các bộ phận cồng kềnh nhất của hệ thống là biến áp và các linh kiện thụ động khác, và các linh kiện nhỏ hơn chỉ có thể được sử dụng khi tần số được tăng lên. Và nếu bạn muốn tần số cao hơn, chất bán dẫn có dải năng lượng rộng hơn và điện trường tới hạn cao hơn sẽ cho phép bạn đạt được điều đó hiệu quả hơn đồng thời đơn giản hóa việc tản nhiệt.  
Ví dụ, một bộ biến tần silicon 1200V chuyển mạch ở tần số 20kHz có thể cung cấp công suất khoảng 3kW. Tuy nhiên, bằng cách chuyển mạch ở tần số 150kHz, một bộ biến tần silicon carbide cung cấp cùng công suất có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn trong một kích thước chỉ bằng một phần ba. Để so sánh, các bộ biến tần dựa trên Ga2O3 có thể hoạt động ở tần số gần megahertz và có kích thước nhỏ hơn một nửa (mặc dù điều này sẽ đòi hỏi các thành phần từ tính mà hiện chưa được phát minh).  
Tóm lại, các đặc tính điện tử thực sự của các vật liệu như Ga2O3 đến từ việc tận dụng tối đa cường độ điện trường tới hạn của chúng. Nhưng giá trị đó chính xác là bao nhiêu? Cho đến năm 2015, chưa có nhóm nào tiến hành đo đạc thực tế cường độ điện trường mà vật liệu này có thể đạt được. Cũng như các thiết bị khác, kết quả sơ bộ còn xa so với giới hạn lý thuyết.  
Tôi và các đồng nghiệp đang đối mặt với thách thức này khi làm việc tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không quân tại Căn cứ Không quân Wright-Patterson, Ohio. Vấn đề đầu tiên chúng tôi gặp phải là bất kỳ thiết bị nào được chế tạo bằng vật liệu có cường độ điện trường cao như vậy đều có khả năng vượt quá giới hạn của thiết bị thử nghiệm hiện có. Bởi vì về nguyên tắc, vật liệu dày 2 micron có thể chặn được điện áp hơn 1.5kV! Vì vậy, chúng tôi đã chế tạo một MOSFET đơn giản có kích thước hình học được thu nhỏ để giảm điện áp. Khoảng cách giữa cực cổng và cực thoát, nơi điện trường mạnh nhất, chỉ là 600 nanomet. Điều này một phần là để giúp việc đo điện áp đỉnh E c dễ dàng hơn, nhưng cũng vì chúng tôi muốn có thể thử nghiệm thiết bị ở tần số RF, điều mà các thiết kế điện áp cao lớn hơn không cho phép.  
Trong lần thử nghiệm ban đầu này, các transistor có thể chịu được điện áp 230V, là giới hạn của thiết bị kiểm tra RF. Điện trường trung bình tạo ra ít nhất là 3.8 MV/cm, và các mô phỏng cho thấy điện trường bên trong cực đại ít nhất là 5.3 MV/cm. (Chúng ta sẽ không bao giờ quan sát được toàn bộ 8MV/cm trong một FET). Đây là lần đầu tiên chứng minh thực nghiệm rằng Ga2O3 có giá trị EC lý thuyết lớn hơn GaN (khoảng 3.3MV/cm). Nói cách khác, khoảng cách giữa cực cổng và cực thoát của một transistor công suất GaN với điện áp hoạt động định mức là 600V thường vào khoảng 15 đến 20 µm, và bước sóng của chúng ta là 600nm.  
Sau khi kết luận này được đưa ra, các transistor chuyển mạch công suất đã phát triển với tốc độ đáng kinh ngạc. Năm 2017, chúng tôi đã sản xuất MOSFET với điện áp đánh thủng lớn hơn 600V. Đầu năm 2018, các giá trị tổn hao tần số cao đạt được bằng cách sử dụng MOSFET với các hình dạng khác nhau đã đáp ứng hoặc vượt quá giới hạn lý thuyết của silicon. Hơn nữa, hiện nay chúng ta đã có một lộ trình rõ ràng để đạt được hoặc vượt qua các giá trị GaN mới nhất trong vài năm tới.  
    Ảnh: Novel Crystal Technology  
Không giống như nhiều chất bán dẫn có dải năng lượng rộng, các tấm wafer oxit gali có thể được sản xuất bằng quy trình tương tự như wafer silicon. Do đó, điều này có nghĩa là các thiết bị không có khuyết tật có thể trở nên tương đối rẻ.  
Khi chúng tôi đo điện trường E của các công tắc nguồn vào năm 2015, chúng tôi cũng suy đoán rằng Ga2O3 có thể đạt được thành công tương tự trong các mạch RF, một lần nữa bằng cách cho phép điện trường cao hơn trong các thiết bị nhỏ hơn. Nhưng vào thời điểm đó, một số thông tin quan trọng còn thiếu—không có dữ liệu nào được công bố về vận tốc electron trong vật liệu này như một hàm của điện trường.  
Tốc độ electron đặc biệt quan trọng trong các transistor được sử dụng để khuếch đại tín hiệu tần số vô tuyến. Trong RF, mục tiêu là công suất đầu ra cao và tần số cao, và chỉ số hiệu suất Johnson (JFOM) tóm tắt những mục tiêu này. JFOM cho biết tích của công suất và tần số của một transistor RF tỷ lệ thuận với tích của vận tốc tối đa của các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn và Ec. Điều quan trọng cần biết ở đây là trong một transistor RF, bạn chỉ nhận được sự khuếch đại nếu các hạt tải điện có thể di chuyển từ cực nguồn đến cực thoát trước khi cực tính của dạng sóng RF thay đổi. (Tần số cao nhất mà điều này xảy ra được gọi là tần số khuếch đại dòng điện đơn vị, hay f T.)
Một lần nữa, điện trường tới hạn cao của Ga2O3 lại phát huy tác dụng vì bạn có thể giảm khoảng cách tới hạn đó nhưng vẫn cung cấp một điện trường mạnh để tăng tốc các electron đến tốc độ tối đa của chúng.  
Tại AFRL, chúng tôi đã chứng minh thành công MOSFET RF oxit gali siêu nhỏ đầu tiên vào năm 2017. Các thiết bị này đạt được một số thông số ấn tượng, mặc dù không phải là hàng đầu trong phân khúc GaN. Tần số khuếch đại dòng điện đơn vị của chúng là 3GHz, tần số dao động tối đa là 13GHz và mật độ công suất đầu ra là 230 mW/mm ở 800MHz. Kể từ đó, mật độ công suất đầu ra RF xung của AFRL đã vượt quá 500mW/mm ở 1GHz, với tần số dao động tối đa gần 20GHz.  
Điều đáng khích lệ hơn nữa là, vào khoảng thời gian đó, các tính toán lý thuyết của Krishnandu Ghosh và Uttam Singisetti (Đại học Buffalo) cho thấy rằng JFOM của oxit gali tốt hơn đáng kể so với JFOM của nitrua gali.  
Kể từ lần đầu tiên chứng minh khả năng RF vào năm 2017, công nghệ RF Ga2O3 đã có những bước tiến vượt bậc, đầu tiên là với Sriram Krishnamoorthy và sau đó là nhóm của Siddharth Rajan tại Đại học bang Ohio, những người đã chứng minh các kỹ thuật pha tạp mới và cải tiến. Các công nghệ này được kế thừa từ silicon, do đó điện trở trong tấm vật liệu nơi xảy ra dẫn điện rất thấp, khoảng 300 ôm trên mỗi ô vuông. (Đúng vậy, đó là đơn vị chính xác.) Điều này tương đương với những gì bạn sẽ tìm thấy trong các thiết bị gallium nitride. Ngay sau khi đạt được kết quả này, Rajan và các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Santa Barbara, đã độc lập chứng minh Ga2O3 là một transistor có độ linh động điện tử cao (HEMT). D: agHEMT
Loại thiết bị này thường được làm từ gali arsenua hoặc gali nitrua, và tần số vô tuyến rất quan trọng đối với cả điện thoại di động và đầu thu truyền hình vệ tinh. Các thiết bị này dẫn điện thông qua một lớp khí điện tử hai chiều hình thành tại giao diện sắc nét giữa hai chất bán dẫn có khe năng lượng khác nhau. Trong trường hợp này, đó là nhôm gali oxit và gali oxit, hoàn toàn tương tự với công nghệ HEMT nhôm gali arsenua/gali arsenua thương mại được sử dụng trong điện thoại thông minh. Những đột phá quan trọng này mở ra con đường cho sự mở rộng theo chiều dọc và chiều ngang của thiết bị RF.  
Mặc dù những tiến bộ này rất đáng khích lệ, nhưng Ga2O3 khó có thể cạnh tranh với gallium arsenide (GaAs) hoặc GaN trong mọi ứng dụng tần số vô tuyến (RF). Là một chất chuyển mạch tốt về cơ bản, chúng tôi kỳ vọng nó sẽ có ưu thế trong các bộ khuếch đại chế độ chuyển mạch như Class D, E hoặc F. Trong số các thiết bị này, thiết bị có điện trở bật rất thấp và có thể đạt được hiệu suất rất cao bằng cách sử dụng đặc tính dòng điện thấp, điện áp đánh thủng cao. Mặt khác, các ứng dụng thiết bị yêu cầu trở kháng thấp hơn và dòng điện cao hơn sẽ ưu tiên GaN, chủ yếu là do độ linh động và mật độ điện tích của nó cao hơn.  
         

SoGa2O3Nó sẽ phải đối mặt với những thách thức nào?

Điều đầu tiên cần nói là điểm yếu chí mạng của vật liệu này là khả năng dẫn nhiệt kém, thậm chí là cực kỳ kém. Trên thực tế, trong số tất cả các chất bán dẫn được xem xét cho khuếch đại tần số vô tuyến hoặc chuyển mạch nguồn, đây thực sự là chất dẫn nhiệt kém nhất. Độ dẫn nhiệt của gali oxit chỉ bằng một phần sáu so với kim cương, một phần mười so với SiC (chất nền cho GaN tần số vô tuyến hiệu suất cao) và một phần năm so với silic. Điều thú vị là, nó tương đương với GaAs tần số vô tuyến. Độ dẫn nhiệt thấp có nghĩa là nhiệt lượng sinh ra trong transistor có khả năng bị giữ lại lâu hơn, có thể làm giảm đáng kể tuổi thọ của thiết bị.  
Giờ hãy xem xét điều này: Để so sánh chính xác độ dẫn nhiệt của vật liệu với thiết bị, bạn cần chuẩn hóa nó theo khả năng chịu tải điện của vật liệu. Nói cách khác, bạn cần chia E cho C để so sánh chính xác các vấn đề về nhiệt trong các thiết bị thực tế. Khi làm như vậy, bạn sẽ thấy rằng mọi chất bán dẫn có khe năng lượng lớn hơn silicon đều gặp vấn đề về tản nhiệt khi đạt đến công suất tối đa, ngay cả kim cương. Mặc dù thực tế này vẫn không giúp ích nhiều cho Ga2O3, nhưng nó thúc đẩy chúng ta tìm kiếm những cách tốt hơn để tản nhiệt.  
Ví dụ, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm NICT Tokyo đã cải thiện đáng kể khả năng chịu nhiệt của thiết bị bằng cách liên kết SiC đa tinh thể loại p với mặt sau của tấm silicon Ga2O3 mỏng khoảng 10 micron. Và, nhận thấy rằng đối với một số cấu trúc thiết bị nhất định, hầu như toàn bộ nhiệt được tạo ra trong 1µm trên cùng của vật liệu, các nhà nghiên cứu AFRL đã thu được kết quả khả quan khi mô phỏng hiệu ứng tiếp xúc điện cực và sử dụng chất độn điện môi để dẫn nhiệt đến bộ tản nhiệt. Đây là thủ thuật được sử dụng hiện nay trong các transistor lưỡng cực dị cấu trúc gallium arsenide thương mại. Vì vậy, bất chấp những thách thức về nhiệt trong Ga2O3, các kỹ sư tài giỏi đang nỗ lực giải quyết vấn đề này.  
Một vấn đề cơ bản hơn nữa là chúng ta chỉ có thể làm cho gali oxit dẫn điện tử chứ không thể dẫn lỗ trống. Không ai có thể tạo ra chất dẫn điện loại p tốt từ Ga2O3. Và, điều đáng thất vọng là, các tính chất điện tử cơ bản của vật liệu này không mấy hứa hẹn. Cụ thể, hình dạng dẫn lỗ trống trong phần dải hóa trị của cấu trúc dải năng lượng của vật liệu là không chính xác. Do đó, ngay cả khi có một loại chất pha tạp nào đó làm cho thụ thể ở mức năng lượng chính xác, bất kỳ lỗ trống nào được tạo ra đều được dự đoán sẽ tự giữ lại trước khi chúng có thể đóng góp vào sự dẫn điện. Khi lý thuyết và dữ liệu nhất quán như vậy, thật khó để nói rằng có cách nào khắc phục được nhược điểm này.  
Mặc dù lỗ hổng này tạo ra những thách thức bổ sung, nhưng không phải mọi chuyện đều suôn sẻ. Nhiều thiết bị được gọi là "chỉ hỗ trợ nhà mạng đa số" đã thành công về mặt thương mại. Ví dụ, chỉ cần nhìn vào càng nhiều bộ sạc tường USB-C càng tốt.  
Giai đoạn nghiên cứu công nghệ thiết bị Ga2O3 mới chỉ bắt đầu đạt đến giai đoạn quan trọng, và hiện chúng tôi đang lên kế hoạch cho không gian ứng dụng trong các transistor công suất đa kilovolt chuyển mạch nhanh và các thiết bị RF. Các thiết bị công suất kilovolt mới cũng đang xuất hiện thường xuyên. Các transistor RF với kích thước quan trọng trong phạm vi vài chục nanomet sắp sửa được đưa vào sử dụng. Khi công nghệ này phát triển, chúng tôi tin rằng mình sẽ có thể đạt được các cấu trúc thiết bị chưa từng có trước đây ở bất kỳ vật liệu nào khác.  
 

Dĩ nhiên, chúng ta sẽ gặp phải một vài vấn đề (chủ yếu là về chất điện môi) trong quá trình này. Nhưng đó chính là định nghĩa của công nghệ đột phá. Chúng ta đánh đổi những gì mình biết để lấy hiệu năng tiềm năng. Hiện tại, đối với Ga2O3, tiềm năng về hiệu năng vượt trội hơn hẳn so với những vấn đề hiện có.

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được sao chép từ "Quan sát ngành công nghiệp bán dẫn", một ấn phẩm ủng hộ việc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Vui lòng ghi rõ nguồn gốc và tác giả khi sao chép. Nếu phát hiện bất kỳ sự vi phạm nào, vui lòng liên hệ với chúng tôi để gỡ bỏ.

Số điện thoại công ty: +86-0755-83044319
Số fax: +86-0755-83975897
Email: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Quản lý Li

QQ: 332496225 Quản lý Qiu

Địa chỉ: Phòng 809, Tòa nhà C, Tòa nhà Công nghệ Zhantao, Số 1079 Đại lộ Minzhi, Khu Longhua Mới, Thâm Quyến