2002年5月，莱斯特·F·伊斯特曼和乌梅什·K·米什拉撰文介绍了当时功率半导体领域的一项长期发展技术：氮化镓（GaN）。  
在那篇文章中，他们对氮化镓在当时新兴的宽带无线网络、雷达和电网功率开关应用领域的前景表示乐观。他们还将氮化镓器件称为“有史以来最坚固耐用的晶体管”。  
他们的说法是正确的。氮化镓的宽带隙（打破束缚电子并促进导电所需的能量）和其他特性使我们能够利用这种材料的高电场耐受性，从而制造出性能前所未有的器件。  
如今，氮化镓（GaN）已成为固态射频功率应用领域当之无愧的领军者，已应用于雷达、5G无线通信等领域，并将很快成为电动汽车电源逆变器的标配。现在，您甚至可以买到基于氮化镓器件设计的USB充电器，它们体积小巧，却能提供极高的功率。  
然而，即便如此，我们仍然要问：有没有比氮化镓更好的材料？有没有办法提高射频放大器的功率和效率？有没有办法进一步缩小功率电子器件的尺寸，从而减轻飞机和汽车的负担？我们能否找到带隙更大但仍能导电的材料？  
事实证明，答案是肯定的。  
事实上，市面上有很多具有不同带隙的材料，但量子力学的特殊性意味着它们中的大多数很难用作半导体。然而，有一种极具吸引力的候选材料：透明导电氧化物氧化镓（Ga₂O₃）。  
氧化镓的带隙接近 5 eV，远超氮化镓（3.4 eV），与硅（1.1 eV）相比，优势更是巨大。我们知道金刚石和氮化铝也具有宽带隙，但它们不具备氧化镓所拥有的特性。氧化镓的这些特性组合非常出色，可用于制造廉价而强大的器件。  
仅仅拥有宽带隙是不够的，因为如果真是如此，所有电介质和陶瓷都能拥有宽带隙，这也是它们只能用作绝缘体的原因。但氧化镓具有独特的性能组合，使其成为功率开关和射频电子器件的理想材料。  
   

插图：IEEE Spectrum 来源：“Ga2O3 在电力电子应用中的实现”，由 Gregg H. Jessen 等人在第 75 届年度器件研究会议 (DRC) 上发表。

在半导体五大关键特性中，β-氧化镓最大的优势在于其高临界电场强度。这有助于制造高压开关，并意味着可以基于此设计出功能强大的射频器件。然而，β-氧化镓最大的缺点是其导热系数低，这意味着热量容易滞留在器件内部。  
此外，氧化镓的一个优良特性是可以通过掺杂来增加其载流子，从而提高其导电性。掺杂是指向晶体中添加可控量的杂质，以控制半导体中载流子的浓度。例如，在硅中，可以使用离子注入和退火工艺，将磷（增加自由电子）或硼（减少自由电子）掺杂到晶体中，从而使电荷能够在晶体内部自由移动。在氧化镓（Ga₂O₃）中，也可以用类似的方法添加电子。  
但如果你尝试将这种方法应用于其他宽带隙氧化物，最终可能会出现晶体破碎和晶格中电荷滞留的点。  
氧化镓可通过标准工艺（称为离子注入）以及外延生长（沉积额外晶体）添加掺杂剂，这使得我们可以借鉴许多成熟的商业光刻和加工技术。这些方法能够相对轻松地精确定义几十纳米的晶体管尺寸，并生成各种器件拓扑结构。然而，其他宽带隙半导体材料并不具备这种极其有用的特性。即使是氮化镓也无法做到这一点。  
氧化镓的另一个优点是，就这类材料而言，制备大尺寸的Ga₂O₃晶体硅片实际上非常容易。虽然Ga₂O₃晶体有多种类型，但最稳定的是β型，其次是ε型和α型。其中，β-Ga₂O₃的研究最为广泛，这主要归功于日本筑波国立材料科学研究所和柏林莱布尼茨晶体生长研究所等机构的努力。  
β-Ga₂O₃最吸引人的地方在于其热稳定性，这使得它能够采用多种已广泛应用的技术进行制造，包括用于制造硅片的提拉法（Czochralski法）。我们还可以使用一种称为边缘限定薄膜生长法的晶体生长技术。如今，甚至可以使用高度可扩展的垂直布里奇曼-斯托克巴格法（Bridgman-Stockbarger technique）来生长晶体。  
这种情况与其他宽带隙半导体截然不同，这一点怎么强调都不为过。然而，从目前的角度来看，除了碳化硅（SiC）之外，大多数新兴的宽带隙半导体都没有足够大的衬底来生长大尺寸晶体。这意味着它们必须生长在其他材料的圆盘上，这会带来一定的成本。例如，氮化镓通常采用复杂的工艺生长在硅、碳化硅或蓝宝石衬底上。但这些衬底的晶体结构显然与氮化镓不同，这种差异会导致衬底和氮化镓之间出现“晶格失配”，从而产生大量缺陷。这些缺陷给生产设备带来了诸多问题。而氧化镓（Ga₂O₃）本身就作为衬底，不存在晶格失配，因此也不存在缺陷。日本新型晶体技术公司（Novel Crystal Technology）已经成功制备出150毫米的β-氧化镓晶体。  
在日本信息通信技术研究所（NICT）东胁正孝他是第一个意识到β-Ga2O3在功率开关应用领域潜力的人。2012年，他带领的研究团队发表了首个单晶β-Ga2O3晶体管，震惊了整个功率器件领域。这款产品究竟有多出色？例如，功率晶体管的关键指标之一是击穿电压，即半导体阻止电流流动能力的临界点。东胁（Higashiwaki）推出的这款开创性晶体管的击穿电压超过250V。相比之下，氮化镓（GaN）花了近二十年才达到这一成就。  
在他们的开创性工作中，东胁（Higashiwaki）指出，他们还通过使用具有高临界电场强度的材料，显著降低了器件的功率损耗。这种被称为Ec的特性，正是氧化镓真正的优势所在。  
简单来说，如果将一种材料夹在两个导体之间，并增加电压，E_c 就是该材料开始导电时的电场强度。很多时候，这个电压会带来灾难性的后果。硅的临界电场强度通常以每厘米数百千伏来衡量，而氧化镓 (Ga₂O₃) 的临界电场强度为每厘米 8 兆伏。  
 

图片：空军研究实验室

高压英雄：上图所示的氧化镓晶体管（上图以两种放大倍数（a 和 b）和横截面（c）显示）在仅 600 纳米的范围内保持 200 伏以上的电压。

理想情况下，功率开关晶体管最大的优势之一就是极高的导通电阻（E）。理想情况下，器件可以在两种状态之间瞬时切换：始终导通（无电阻导通）和始终截止（完全不导通）。这两种极端状态对应着截然不同的器件结构。对于截止状态，需要在晶体管的源极和漏极之间放置较厚的材料层，以防止导通并阻隔高电压。而对于导通状态，则需要一个无限薄的区域，使其电阻为零。  
当然，鱼与熊掌不可兼得。材料的临界电场强度决定了在保持闭合的前提下，该区域实际可以做得有多薄。  
低频功率开关半导体的关键指标是巴利加品质因数（Baliga figure of merit），以IEEE荣誉奖章获得者B. Jayant Baliga的名字命名。它本质上表示器件在高电压下输出信号对输入信号细节的还原程度。对于工作频率高达千赫兹范围的开关晶体管而言，这是一个非常重要的特性。这类器件广泛应用于多千伏变电站设备、用于医学成像的高能光子发生器以及电动汽车和工业电机驱动的功率逆变器中。  
对于上述及更多应用，Ga₂O₃ 具有天然优势。在这些频率下，品质因数与临界电场的立方成正比。如此高的临界电场意味着良好的品质因数。  
背后的数学原理是，这个开关大部分时间都处于完全导通或完全断开的状态，只有极少时间在两者之间切换。因此，大部分功率损耗都来自于电阻器到器件导通时的电流。当 Ec 值较高时，可以使用更薄的器件，这意味着电阻更小。  
东胁的研究成果传递的信息很简单：利用强大的高电场强度可以实现高压开关，且在低频下功率损耗极小。其他研究团队很快也领悟到了这一点。到2013年，研究人员已经展示了击穿电压为370V的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。2016年，当时在NICT东胁研究组工作的黄文海（Man Hoi Wong）利用一种名为场镀的附加结构，将电压提升至750V以上。在这些器件中，Ga₂O₃能够相对轻松地实现更高的工作电压，这确实令人瞩目。材料研究在短短几年内取得了长足的进步，而GaN薄膜的研发却耗费了数十年时间。  
Ga2O3 是否适用于快速开关电源应用？这是大家关注的另一个重点。需要强调的是，Ec 在这里也至关重要，它可能为 Ga2O3 带来巨大的优势。  
在高频（例如 100 Hz 至 1 MHz）下，器件的开关时间会成比例增加。开关过程中的损耗是器件电阻与晶体管栅极上需要积累的电荷量（即开关所需的电荷量）的乘积。计算表明，损耗与临界电场强度的平方成正比，而不是像低频那样与立方成正比。  
    图片：空军研究实验室  
上图所示为氧化镓。射频应用潜力早期氧化镓射频晶体管的一个微小（固有）元件对其工作至关重要。降低器件中的寄生电阻可以提高功率和频率。  
你会发现，即使是像手机充电器这样简单的应用，更快的电源切换速度也能带来更多好处。开关电源的工作原理是：首先将来自墙壁插座的交流电压整流，然后将其转换为高频信号。变压器将电压降低到所需水平，最后信号经过整流和滤波。系统中体积最大的部件是变压器和其他无源元件，只有随着频率的提高，才能使用更小的元件。如果需要更高的频率，使用具有更宽带隙和更高临界电场的半导体器件可以更高效地实现，同时还能简化散热。  
例如，一台工作电压为1200V、开关频率为20kHz的硅逆变器可以提供约3kW的功率。然而，一台工作频率为150kHz的碳化硅逆变器，在提供相同功率的情况下，可以在更高的温度下工作，且封装尺寸仅为硅逆变器的三分之一。相比之下，基于氧化镓（Ga₂O₃）的逆变器可以工作在接近兆赫兹的频率，并且尺寸可以缩小一半（尽管这需要使用尚未发明的磁性元件）。  
总而言之，诸如Ga₂O₃之类的材料的真正电子特性源于对其临界电场强度的充分利用。但这个临界电场强度究竟是多少呢？直到2015年，还没有研究团队对这类材料所能达到的电场强度进行过实际测量。与其他器件一样，初步结果与理论极限相去甚远。  
我和我的同事在位于俄亥俄州赖特-帕特森空军基地的空军研究实验室工作时，正面临着这项挑战。我们遇到的第一个问题是，任何使用具有如此高场强的材料制造的器件都可能超出现有测试设备的极限。因为理论上，2微米厚的材料可能阻挡超过1.5千伏的电压！因此，我们设计了一个简单的MOSFET，缩小了其几何尺寸以降低电压。栅极和漏极之间电场强度最高的间隙仅为600纳米。这样做一方面是为了便于测量峰值电场强度E_c，另一方面也是因为我们希望能够在射频频率下测试该器件，而更大的高压设计无法做到这一点。  
在这次早期演示中，晶体管能够承受230V的电压，这已达到射频测试设备的极限。产生的平均电场强度至少为3.8 MV/cm，仿真结果表明峰值内部电场强度至少为5.3 MV/cm。（我们永远无法在场效应晶体管中观察到完整的8 MV/cm电场强度。）这是首次实验证明Ga₂O₃的理论电场强度值大于GaN（约为3.3 MV/cm）。换句话说，额定工作电压为600V的GaN功率晶体管的栅漏间隙通常约为15至20 µm，而我们的波长为600nm。  
这一结论得出后，功率开关晶体管的发展速度惊人。2017年，我们制造出了击穿电压超过600V的MOSFET。2018年初，采用不同几何形状的MOSFET所实现的高频损耗值已经达到或超过了硅的理论极限。更重要的是，我们已经明确了在未来几年内达到甚至超越最新GaN器件性能的途径。  
    图片：新型晶体技术  
与许多宽带隙半导体不同，氧化镓晶片的制造工艺与硅晶片的制造工艺大致相同。因此，这意味着无缺陷器件的成本可能会相对较低。  
2015年我们测量功率开关的电场强度时，也曾推测Ga2O3可能在射频电路中取得类似的成功，因为它可以在更小的器件中实现更高的电场强度。但当时缺少一些关键信息——没有关于该材料中电子速度随电场强度变化的公开数据。  
电子速度在用于放大射频信号的晶体管中尤为重要。在射频领域，高功率输出和高频率是主要目标，而约翰逊品质因数（JFOM）概括了这些目标。JFOM指出，射频晶体管的功率和频率的乘积与半导体材料中载流子的最大速度和电子密度Ec的乘积成正比。这里我们需要了解的关键是，在射频晶体管中，只有当载流子能够在射频波形极性反转之前从源极流到漏极时，才能实现放大。（发生这种情况的最高频率称为单位电流增益频率，或f_T。）
再次，Ga2O3 的高临界电场发挥作用，因为你可以减小临界距离，但仍然提供强大的电场来将电子加速到最大速度。  
2017年，AFRL成功演示了首个亚微米氧化镓射频MOSFET。这些器件性能优异，虽然并非氮化镓器件中的佼佼者。其单位电流增益频率为3GHz，最大振荡频率为13GHz，在800MHz频率下的输出功率密度为230mW/mm²。此后，AFRL的脉冲射频功率输出密度在1GHz频率下已超过500mW/mm²，最大振荡频率也接近20GHz。  
更令人鼓舞的是，大约在同一时间，Krishnandu Ghosh 和 Uttam Singisetti（布法罗大学）的理论计算表明，氧化镓的 JFOM 明显优于氮化镓的 JFOM。  
自2017年首次展示射频性能以来，射频氧化镓（Ga2O3）技术取得了巨大进步。首先是Sr​​iram Krishnamoorthy，随后是俄亥俄州立大学Siddharth Rajan团队展示了新的、改进的掺杂技术。这些技术借鉴自硅，因此导电材料薄片的电阻非常低，约为每平方300欧姆。（没错，单位就是300欧姆。）这与氮化镓器件的电阻相当。取得这一成果后不久，Rajan和加州大学圣巴巴拉分校的研究人员独立地展示了氧化镓作为高电子迁移率晶体管（HEMT）的性能。D: agHEMT
这类器件通常由砷化镓或氮化镓制成，而射频对于手机和卫星电视接收器都至关重要。这类器件通过形成于两种不同带隙半导体之间的尖锐界面处的二维电子气进行导电。在本例中，半导体材料为氧化铝镓和氧化镓，这与智能手机中商用的砷化铝镓/砷化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）技术完全相同。这些关键突破为射频设备的垂直和水平扩展铺平了道路。  
尽管这些进展令人鼓舞，但氧化镓(Ga₂O₃)不太可能在所有射频应用中挑战砷化镓(GaAs)或氮化镓(GaN)。作为一种性能优异的开关材料，我们预期它在D类、E类或F类等开关模式放大器中具有优势。在这些器件中，氧化镓具有极低的导通电阻，并且能够利用低电流、高击穿电压的特性实现极高的效率。另一方面，对于需要低阻抗和高电流的器件应用，氮化镓(GaN)将更具优势，这主要是因为其具有更高的载流子迁移率和载流子密度。  
         

SoGa2O3它将面临哪些挑战？

首先要指出的是，这种材料的致命弱点是导热性差，甚至可以说是极差。事实上，在所有用于射频放大或功率开关的半导体材料中，它的导热性能是最差的。氧化镓的热导率仅为金刚石的六分之一，碳化硅（高性能射频氮化镓的衬底）的十分之一，以及硅的五分之一。有趣的是，它与射频砷化镓相当。低导热性意味着晶体管中产生的热量很可能滞留在晶体管内部，从而可能显著缩短器件的使用寿命。  
现在，请考虑以下情况：为了真正比较材料在器件中的热导率，需要将其归一化到材料的功率处理能力上。换句话说，需要用 E 除以 C 才能准确比较实际器件中的散热问题。这样做之后，你会发现，所有带隙大于硅的半导体，即使是金刚石，在达到其最大性能时都会出现散热问题。虽然这一事实对 Ga₂O₃ 的散热帮助不大，但它激励我们寻找更好的散热方法。  
例如，东京NICT研究所的研究人员通过将p型多晶SiC键合到厚度仅为10微米左右的Ga2O3硅晶片背面，显著提高了器件的热阻。此外，AFRL的研究人员注意到，对于某些器件结构，几乎所有热量都产生于材料顶部1微米的范围内，他们通过模拟电极接触效应并使用介电填料将热量分流至散热器，获得了令人鼓舞的结果。这正是目前商用砷化镓异质结双极晶体管所采用的技术。因此，尽管Ga2O3在散热方面面临诸多挑战，但聪明的工程师们仍在努力攻克这一难题。  
另一个更根本的问题是，我们只能使氧化镓导电电子，而不能导电空穴。目前还没有人能用氧化镓（Ga₂O₃）制成良好的p型导体。更令人沮丧的是，这种材料的基本电子特性也并不理想。特别是，其能带结构价带部分的空穴导电形状不正确。因此，即使掺杂某种物质使受体处于正确的能级，产生的空穴也预计会在导电之前被捕获。当理论和数据如此一致时，很难说有什么方法可以克服这个缺陷。  
虽然这种漏洞确实带来了一些额外的挑战，但并非一帆风顺。许多所谓的“仅限主流运营商”设备已经取得了商业上的成功。例如，看看市面上琳琅满目的 USB-C 墙式充电器就知道了。  
Ga2O3器件技术的研究阶段已初具规模，我们目前正着眼于快速开关、多千伏功率晶体管和射频器件的应用领域。千伏级设备的演示也层出不穷。尺寸在几十纳米范围内的射频晶体管即将问世。随着这项技术的不断推进，我们相信能够实现以往任何材料都无法实现的器件拓扑结构。  
 

当然，在这个过程中，我们肯定会遇到一些问题（主要是介电材料方面）。但这正是颠覆性技术的定义。我们用已有的知识换取潜在的性能提升。就目前而言，氧化镓的性能潜力远远大于其存在的问题。

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