2002年5月，萊斯特·F·伊斯特曼和烏梅什·K·米甚拉撰文介紹了當時功率半導體領域的長期發展技術：氮化鎵（GaN）。  
在那篇文章中，他們對氮化鎵在當時新興的寬頻無線網路、雷達和電網功率開關應用領域的前景表示樂觀。他們也將氮化鎵裝置稱為「有史以來最堅固耐用的電晶體」。  
他們的說法是正確的。氮化鎵的寬頻隙（打破束縛電子並促進導電所需的能量）和其他特性使我們能夠利用這種材料的高電場耐受性，從而製造出性能前所未有的裝置。  
如今，氮化鎵（GaN）已成為固態射頻功率應用領域當之無愧的領導者，已應用於雷達、5G無線通訊等領域，並將很快成為電動車電源逆變器的標配。現在，您甚至可以買到基於氮化鎵裝置設計的USB充電器，它們體積小巧，卻能提供極高的功率。  
然而，即便如此，我們仍然要問：有沒有比氮化鎵更好的材料？有沒有辦法提高射頻放大器的功率和效率？有沒有辦法進一步縮小功率電子裝置的尺寸，從而減輕飛機和汽車的負擔？我們能否找到帶隙更大但仍能導電的材料？  
事實證明，答案是肯定的。  
事實上，市面上有許多具有不同帶隙的材料，但量子力學的特殊性意味著它們中的大多數很難用作半導體。然而，有一種極具吸引力的候選材料：透明導電氧化物氧化鎵（Ga₂O₃）。  
氧化鎵的帶隙接近 5 eV，遠超氮化鎵（3.4 eV），與矽（1.1 eV）相比，優勢更是巨大。我們知道鑽石和氮化鋁也具有寬頻隙，但它們不具備氧化鎵所擁有的特性。氧化鎵的這些特性組合非常出色，可用於製造廉價而強大的裝置。  
僅僅擁有寬頻隙是不夠的，因為如果真是如此，所有電介質和陶瓷都能擁有寬頻隙，這也是它們只能用作絕緣體的原因。但氧化鎵具有獨特的性能組合，使其成為功率開關和射頻電子裝置的理想材料。  
   

插圖：IEEE Spectrum 資料來源：“Ga2O3 在電力電子應用中的實現”，由 Gregg H. Jessen 等人在第 75 屆年度裝置研究會議 (DRC) 上發表。

在半導體五大關鍵特性中，β-氧化鎵最大的優勢在於其高臨界電場強度。這有助於製造高壓開關，並意味著可以基於此設計出強大的射頻裝置。然而，β-氧化鎵最大的缺點是其導熱係數低，這意味著熱量容易滯留在裝置內部。  
此外，氧化鎵的一個優良特性是可以透過摻雜來增加其載子，從而提高其導電性。摻雜是指向晶體中添加可控制量的雜質，以控制半導體中載流子的濃度。例如，在矽中，可以使用離子注入和退火工藝，將磷（增加自由電子）或硼（減少自由電子）摻雜到晶體中，使電荷能夠在晶體內部自由移動。在氧化鎵（Ga₂O₃）中，也可以用類似的方法添加電子。  
但如果你嘗試將這種方法應用於其他寬帶隙氧化物，最終可能會導致晶體破碎，晶格中出現電荷滯留的點。  
氧化鎵可透過標準製程（稱為離子注入）以及外延生長（沉積額外晶體）添加摻雜劑，這使得我們可以藉鏡許多成熟的商業光刻和加工技術。這些方法能夠相對輕鬆地精確定義數十奈米的電晶體尺寸，並產生各種裝置拓撲。然而，其他寬頻隙半導體材料並不具備這種極為有用的特性。即使是氮化鎵也無法做到這一點。  
氧化鎵的另一個優點是，就這類材料而言，製備大尺寸的Ga₂O₃晶體矽片其實非常容易。雖然Ga₂O₃晶體有多種類型，但最穩定的是β型，其次是ε型和α型。其中，β-Ga₂O₃的研究最為廣泛，這主要歸功於日本筑波國立材料科學研究所和柏林萊布尼茨晶體生長研究所等機構的努力。  
β-Ga₂O₃最吸引人的地方在於其熱穩定性，這使得它能夠採用多種已廣泛應用的技術進行製造，包括用於製造矽片的提拉法（Czochralski法）。我們也可以使用一種稱為邊緣限定薄膜生長法的晶體生長技術。如今，甚至可以使用高度可擴展的垂直布里奇曼-斯托克巴格法（Bridgman-Stockbarger technique）來生長晶體。  
這種情況與其他寬頻隙半導體截然不同，這一點怎麼強調都不為過。然而，從目前的角度來看，除了碳化矽（SiC）之外，大多數新興的寬帶隙半導體都沒有足夠大的基板來生長大尺寸晶體。這意味著它們必須生長在其他材料的圓盤上，這會帶來一定的成本。例如，氮化鎵通常採用複雜的製程生長在矽、碳化矽或藍寶石基板上。但這些基板的晶體結構顯然與氮化鎵不同，這種差異會導致基板和氮化鎵之間出現“晶格失配”，從而產生大量缺陷。這些缺陷為生產設備帶來了許多問題。而氧化鎵（Ga₂O₃）本身就作為基板，不存在晶格失配，因此也不存在缺陷。日本新型晶體技術公司（Novel Crystal Technology）已成功製備出150毫米的β-氧化鎵晶體。  
在日本資訊通信技術研究所（NICT）東脅正孝他是第一個意識到β-Ga2O3在功率開關應用領域潛力的人。 2012年，他帶領的研究團隊發表了首個單晶β-Ga2O3晶體管，震驚了整個功率元件領域。這款產品究竟有多出色？例如，功率電晶體的關鍵指標之一是擊穿電壓，即半導體阻止電流流動能力的臨界點。東脅（Higashiwaki）推出的這款開創性電晶體的擊穿電壓超過250V。相較之下，氮化鎵（GaN）花了近二十年才達到這項成就。  
在他們的開創性工作中，東脅（Higashiwaki）指出，他們也透過使用具有高臨界電場強度的材料，顯著降低了裝置的功率損耗。這種被稱為Ec的特性，正是氧化鎵真正的優勢所在。  
簡單來說，如果將一種材料夾在兩個導體之間，並增加電壓，E_c 就是該材料開始導電時的電場強度。很多時候，這個電壓會帶來災難性的後果。矽的臨界電場強度通常以每公分數百千伏來衡量，而氧化鎵 (Ga₂O₃) 的臨界電場強度為每公分 8 兆伏。  
 

圖：空軍研究實驗室

高壓英雄：上圖所示的氧化鎵晶體管（上圖以兩種放大倍率（a 和 b）和橫截面（c）顯示）在僅 600 奈米的範圍內保持 200 伏特以上的電壓。

理想情況下，功率開關電晶體最大的優勢之一就是極高的導通電阻（E）。理想情況下，裝置可以在兩種狀態之間瞬時切換：始終導通（無電阻導通）和始終截止（完全不導通）。這兩種極端狀態對應著截然不同的裝置結構。對於截止狀態，需要在電晶體的源極和汲極之間放置較厚的材料層，以防止導通並阻隔高電壓。而對於導通狀態，則需要一個無限薄的區域，使其電阻為零。  
當然，魚與熊掌不可兼得。材料的臨界電場強度決定了在保持閉合的前提下，該區域實際上可以做得有多薄。  
低頻功率開關半導體的關鍵指標是巴利加品質因數（Baliga figure of merit），以IEEE榮譽獎章得主B. Jayant Baliga的名字命名。它本質上表示裝置在高電壓下輸出訊號對輸入訊號細節的還原程度。對於工作頻率高達千赫茲範圍的開關電晶體而言，這是一個非常重要的特性。這類裝置廣泛應用於多千伏變電站設備、用於醫學成像的高能量光子產生器以及電動車和工業馬達驅動的功率逆變器。  
對於上述及更多應用，Ga₂O₃ 具有天然優勢。在這些頻率下，品質因數與臨界電場的立方成正比。如此高的臨界電場意味著良好的品質因數。  
背後的數學原理是，這個開關大部分時間都處於完全導通或完全斷開的狀態，只有極少時間在兩者之間切換。因此，大部分功率損耗都來自於電阻器到裝置導通時的電流。當 Ec 值較高時，可以使用較薄的裝置，這表示電阻更小。  
東脅的研究成果傳遞的訊息很簡單：利用強大的高電場強度可以實現高壓開關，且在低頻下功率損耗極小。其他研究團隊很快也領悟到了這一點。到2013年，研究人員已經展示了擊穿電壓為370V的金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）。 2016年，當時在NICT東脅研究小組工作的黃文海（Man Hoi Wong）利用名為場鍍的附加結構，將電壓提升至750V以上。在這些裝置中，Ga₂O₃能夠相對輕鬆地實現更高的工作電壓，這確實令人矚目。材料研究在短短幾年內取得了長足的進步，而GaN薄膜的研發卻耗費了數十年。  
Ga2O3 是否適用於快速開關電源應用？這是大家關注的另一個重點。需要強調的是，Ec 在這裡也至關重要，它可能為 Ga2O3 帶來巨大的優勢。  
在高頻（例如 100 Hz 至 1 MHz）下，裝置的開關時間會成比例增加。開關過程中的損耗是裝置電阻與電晶體閘極上需要累積的電荷量（即開關所需的電荷量）的乘積。計算表明，損耗與臨界電場強度的平方成正比，而不是像低頻那樣與立方成正比。  
    圖：空軍研究實驗室  
上圖所示為氧化鎵。射頻應用潛力早期氧化鎵射頻電晶體的一個微小（固有）元件對其工作至關重要。降低裝置中的寄生電阻可以提高功率和頻率。  
你會發現，即使是像手機充電器這樣簡單的應用，更快的電源切換速度也能帶來更多好處。開關電源的工作原理是：首先將來自牆壁插座的交流電壓整流，然後將其轉換為高頻訊號。變壓器將電壓降低到所需水平，最後訊號經過整流和濾波。系統中體積最大的零件是變壓器和其他被動元件，只有隨著頻率的提高，才能使用更小的元件。如果需要更高的頻率，使用具有更寬帶隙和更高臨界電場的半導體裝置可以更有效率地實現，同時還能簡化散熱。  
例如，一台工作電壓為1200V、開關頻率為20kHz的矽逆變器可以提供約3kW的功率。然而，一台工作頻率為150kHz的碳化矽逆變器，在提供相同功率的情況下，可以在更高的溫度下工作，且封裝尺寸僅為矽逆變器的三分之一。相較之下，基於氧化鎵（Ga₂O₃）的逆變器可以工作在接近兆赫茲的頻率，並且尺寸可以縮小一半（儘管這需要使用尚未發明的磁性元件）。  
總而言之，諸如Ga₂O₃之類的材料的真正電子特性源自於對其臨界電場強度的充分利用。但這個臨界電場強度究竟是多少呢？直到2015年，還沒有研究團隊對這類材料所能達到的電場強度進行實際測量。與其他裝置一樣，初步結果與理論極限相去甚遠。  
我和我的同事在俄亥俄州賴特-帕特森空軍基地的空軍研究實驗室工作時，正面臨這項挑戰。我們遇到的第一個問題是，任何使用具有如此高場強的材料製造的裝置都可能超出現有測試設備的極限。因為理論上，2微米厚的材料可能阻擋超過1.5千伏特的電壓！因此，我們設計了一個簡單的MOSFET，縮小了其幾何尺寸以降低電壓。閘極和汲極之間電場強度最高的間隙僅600奈米。這樣做一方面是為了方便測量峰值電場強度E_c，另一方面也是因為我們希望能夠在射頻頻率下測試該裝置，而更大的高壓設計無法做到這一點。  
在這次早期示範中，電晶體能夠承受230V的電壓，這已達到射頻測試設備的極限。產生的平均電場強度至少為3.8 MV/cm，模擬結果顯示峰值內部電場強度至少為5.3 MV/cm。 （我們永遠無法在場效電晶體中觀察到完整的8 MV/cm電場強度。）這是首次實驗證明Ga₂O₃的理論電場強度值大於GaN（約3.3 MV/cm）。換句話說，額定工作電壓為600V的GaN功率電晶體的閘漏間隙通常約為15至20 µm，而我們的波長為600nm。  
這項結論得出後，功率開關電晶體的發展速度驚人。 2017年，我們製造出了擊穿電壓超過600V的MOSFET。 2018年初，採用不同幾何形狀的MOSFET所實現的高頻損耗值已經達到或超過了矽的理論極限。更重要的是，我們已經明確了在未來幾年內達到甚至超越最新GaN元件性能的途徑。  
    圖：新型晶體技術  
與許多寬頻隙半導體不同，氧化鎵晶片的製造流程與矽晶片的製造流程大致相同。因此，這意味著無缺陷裝置的成本可能會相對較低。  
2015年我們測量功率開關的電場強度時，也曾推測Ga2O3可能在射頻電路中取得類似的成功，因為它可以在較小的裝置中實現更高的電場強度。但當時缺少一些關鍵資訊——沒有關於該材料中電子速度隨電場強度變化的公開數據。  
電子速度在用於放大射頻訊號的電晶體中尤其重要。在射頻領域，高功率輸出和高頻率是主要目標，而約翰遜品質因數（JFOM）則概括了這些目標。 JFOM指出，射頻電晶體的功率和頻率的乘積與半導體材料中載流子的最大速度和電子密度Ec的乘積成正比。這裡我們需要了解的關鍵是，在射頻電晶體中，只有當載子能夠在射頻波形極性反轉之前從源極流到汲極時，才能實現放大。 （發生這種情況的最高頻率稱為單位電流增益頻率，或f_T。）
再一次，Ga2O3 的高臨界電場發揮作用，因為你可以減少臨界距離，但仍然提供強大的電場來將電子加速到最大速度。  
2017年，AFRL成功展示了首個亞微米氧化鎵射頻MOSFET。這些裝置性能優異，雖然並非氮化鎵裝置中的佼佼者。其單位電流增益頻率為3GHz，最大振盪頻率為13GHz，在800MHz頻率的輸出功率密度為230mW/mm²。此後，AFRL的脈衝射頻功率輸出密度在1GHz頻率已超過500mW/mm²，最大振盪頻率也接近20GHz。  
更令人鼓舞的是，大約在同一時間，Krishnandu Ghosh 和 Uttam Singisetti（布法羅大學）的理論計算表明，氧化鎵的 JFOM 明顯優於氮化鎵的 JFOM。  
自2017年首次展示射頻性能以來，射頻氧化鎵（Ga2O3）技術取得了巨大進步。首先是 Sarram Krishnamoorthy，接著是俄亥俄州立大學Siddharth Rajan團隊展示了新的、改良的摻雜技術。這些技術借鏡自矽，因此導電材料薄片的電阻非常低，約為每平方300歐姆。 （沒錯，單位就是300歐姆。）這與氮化鎵元件的電阻相當。在取得這項成果後不久，Rajan和加州大學聖塔芭芭拉分校的研究人員獨立地展示了氧化鎵作為高電子遷移率電晶體（HEMT）的性能。 D: agHEMT
這類裝置通常由砷化鎵或氮化鎵製成，而射頻對於手機和衛星電視接收器都至關重要。這類裝置透過形成於兩種不同帶隙半導體之間的尖銳界面處的二維電子氣進行導電。在本例中，半導體材料為氧化鋁鎵和氧化鎵，這與智慧型手機中商用的砷化鋁鎵/砷化鎵高電子遷移率電晶體（HEMT）技術完全相同。這些關鍵突破為射頻設備的垂直和水平擴展鋪平了道路。  
儘管這些進展令人鼓舞，但氧化鎵(Ga₂O₃)不太可能在所有射頻應用中挑戰砷化鎵(GaAs)或氮化鎵(GaN)。作為一種性能優異的開關材料，我們預期它在D類、E類或F類等開關模式放大器中具有優勢。在這些元件中，氧化鎵具有極低的導通電阻，並且能夠利用低電流、高擊穿電壓的特性來實現極高的效率。另一方面，對於需要低阻抗和高電流的裝置應用，氮化鎵(GaN)將更具優勢，這主要是因為其具有更高的載子遷移率和載子密度。  
         

SoGa2O3它將面臨哪些挑戰？

首先要指出的是，這種材料的致命弱點是導熱性差，甚至可以說是極差。事實上，在所有用於射頻放大或功率開關的半導體材料中，它的導熱性能是最差的。氧化鎵的熱傳導率僅為鑽石的六分之一，碳化矽（高性能射頻氮化鎵的基板）的十分之一，以及矽的五分之一。有趣的是，它與射頻砷化鎵相當。低導熱性意味著電晶體中產生的熱量很可能滯留在電晶體內部，這可能會顯著縮短元件的使用壽命。  
現在，請考慮以下情況：為了真正比較材料在裝置中的熱導率，需要將其歸一化到材料的功率處理能力上。換句話說，需要用 E 除以 C 才能準確比較實際裝置中的散熱問題。這樣做之後，你會發現，所有帶隙大於矽的半導體，即使是鑽石，在達到最大性能時都會出現散熱問題。雖然這一事實對 Ga₂O₃ 的散熱幫助不大，但它激勵我們尋找更好的散熱方法。  
例如，東京NICT研究所的研究人員將p型多晶SiC鍵結到厚度僅10微米左右的Ga2O3矽晶片背面，顯著提高了裝置的熱阻。此外，AFRL的研究人員注意到，對於某些裝置結構，幾乎所有熱量都產生於材料頂部1微米的範圍內，他們透過模擬電極接觸效應並使用介電填料將熱量分流至散熱器，獲得了令人鼓舞的結果。這正是目前商用砷化鎵異質接面雙極電晶體所採用的技術。因此，儘管Ga2O3在散熱方面面臨許多挑戰，但聰明的工程師仍在努力攻克這個難題。  
另一個更根本的問題是，我們只能使氧化鎵導電電子，而不能導電電洞。目前還沒有人能用氧化鎵（Ga₂O₃）製成良好的p型導體。更令人沮喪的是，這種材料的基本電子特性也不理想。特別是，其能帶結構價帶部分的電洞導電形狀不正確。因此，即使摻雜某種物質使受體處於正確的能階，產生的電洞也預計會在導電之前被捕獲。當理論和數據如此一致時，很難說有什麼方法可以克服這個缺陷。  
雖然這種漏洞確實帶來了一些額外的挑戰，但並非一帆風順。許多所謂的「僅限主流營運商」設備已經取得了商業上的成功。例如，看看市面上琳瑯滿目的 USB-C 牆式充電器就知道了。  
Ga2O3元件技術的研究階段已初具規模，我們目前正著眼於快速開關、多千伏特功率電晶體和射頻元件的應用領域。千伏特設備的示範也層出不窮。尺寸在幾十奈米範圍內的射頻電晶體即將問世。隨著這項技術的不斷推進，我們相信能夠實現以往任何材料都無法實現的裝置拓撲。  
 

當然，在這個過程中，我們肯定會遇到一些問題（主要是介電材料方面）。但這正是顛覆性技術的定義。我們用已有的知識換取潛在的性能提升。就目前而言，氧化鎵的性能潛力遠大於其存在的問題。

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