是時候了解氧化鎵了

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2022-03-18 01:11:15 8

在IEEE SPECTRUM中文版《科技縱覽》2002年5月刊中，已故的萊斯特?F.伊斯曼（Lester F. East-man）和烏梅什?K. 米什拉（Umesh K.Mishra）談到了當(dāng)時功率半導(dǎo)體界的一項(xiàng)大膽技術(shù)：氮化鎵（GaN）。對于強(qiáng)大耐用的射頻放大器在當(dāng)時新興的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)以及電網(wǎng)功率切換應(yīng)用中的使用前景，他們表達(dá)了樂觀的看法。他們稱氮化鎵器件為“迄今為止最堅(jiān)固耐用的晶體管”。
伊斯曼和米什拉是對的。氮化鎵的寬帶隙（使束縛電子自由斷裂并有助于傳導(dǎo)的能量）和其他性質(zhì)讓我們能夠利用這種材料承受高電場的能力，制造性能空前的器件。如今，氮化鎵是固態(tài)射頻功率應(yīng)用領(lǐng)域無可爭議的*。它已經(jīng)在雷達(dá)和5G無線技術(shù)中得到了應(yīng)用，很快將在電動汽車的逆變器中普及。你甚至可以買到基于氮化鎵的USB壁式充電器，它們體積小且功率非常高。不過，還有比它更好的東西嗎？有能讓射頻放大器變得更強(qiáng)大更高效的裝置嗎？有能讓電力電子設(shè)備體積變得更小，讓飛機(jī)和汽車上使用的電子設(shè)備更輕、更小的裝置嗎？我們能找到帶隙更大的導(dǎo)電材料嗎？是的，我們可以。事實(shí)上，許多材料都有更大的帶隙，但量子力學(xué)的獨(dú)特性意味著，幾乎所有這些材料都不能用作半導(dǎo)體。不過，透明導(dǎo)電氧化物氧化鎵（Ga₂O₃）是一個特例。這種晶體的帶隙近5電子伏特，如果說氮化鎵（3.4eV）與它的差距為1英里，那么硅（1.1eV）與它的差距則好比一個馬拉松。金剛石和氮化鋁的帶隙更大，但它們不具備氧化鎵所具備的幸運(yùn)特性，氧化鎵有助于制造價格低廉但功能強(qiáng)大的器件。一種材料僅僅有寬帶隙是不夠的。所有的電介質(zhì)和陶瓷都有寬帶隙，否則它們就不會被用作絕緣體了，而氧化鎵有一組獨(dú)特的特性，它可以作為功率切換和射頻電子器件的半導(dǎo)體從而發(fā)揮巨大作用。它的特點(diǎn)之一是，通過摻雜的方法，可以在氧化鎵中加入電荷載流子，使其更具導(dǎo)電性。摻雜包括向晶體添加一定量的雜質(zhì)，以控制半導(dǎo)體中載流子的濃度。對于硅，可以使用離子注入法，然后退火處理，在晶體中摻雜磷（以添加自由電子）或硼（以減去自由電子），從而使電荷能夠自由移動。對于氧化鎵，可以用同樣的方法在晶體中摻雜硅來添加電子。如果在任何其他寬帶隙氧化物中這樣做，結(jié)果可能是破碎的晶體和晶格斑點(diǎn)，這樣的話電荷會被卡住。氧化鎵能夠適應(yīng)通過“離子注入”標(biāo)準(zhǔn)工藝添加以及外延生長（沉積額外的晶體）過程中添加的摻雜劑，因此我們能夠借用各種各樣的既有商業(yè)光刻和加工技術(shù)。借助這些方法，精確定義幾十納米的晶體管尺寸和產(chǎn)生各種各樣的器件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得相對簡單。其他寬帶隙的半導(dǎo)體材料不具備這種難以置信的有用特性，甚至氮化鎵也不例外。氧化鎵的另一個優(yōu)點(diǎn)是，實(shí)際上很容易根據(jù)需要制造氧化鎵晶體大晶圓。雖然氧化鎵晶體有幾種類型，但最穩(wěn)定的是β，其次是ε和α。其中，有關(guān)β-氧化鎵的綜合性質(zhì)的研究最多，這主要得益于日本筑波的日本*材料科學(xué)研究所和柏林萊布尼茨晶體研究所的開拓性工作。β-氧化鎵特別有趣的一點(diǎn)是，它具備*的熱穩(wěn)定性，因此可以使用大量的商業(yè)技術(shù)來制造，包括用于制造硅片的提拉法。此外，也可以使用“邊緣定義、薄膜饋電晶體生長”技術(shù)來生產(chǎn)β-氧化鎵晶圓，雜貨店結(jié)賬用的條形碼掃描儀上的藍(lán)寶石窗口就是這樣制造的。如今，甚至可以使用可高度擴(kuò)展的垂直坩堝下降（Bridgman-Stockbarger）技術(shù)生長晶體。 55bda3d0152eaf8986070ad29aa96a38

這與其他寬帶隙半導(dǎo)體的區(qū)別，怎么夸張都不過分。除碳化硅（SiC）以外，其他所有新興寬帶隙半導(dǎo)體根本沒有大尺寸半導(dǎo)體基底可供生長大晶體。這意味著它們必須生長在另一種材料盤中，而這是有代價的。例如，氮化鎵通常依靠復(fù)雜的工藝在硅、碳化硅或藍(lán)寶石基底上生長。不過，這些基底的晶體結(jié)構(gòu)明顯不同于氮化鎵的晶體結(jié)構(gòu)，這種差異會造成基底和氮化鎵之間的“晶格失配”，從而產(chǎn)生大量缺陷。這些缺陷會給生產(chǎn)的設(shè)備帶來一系列問題。氧化鎵由于作為自己的基底，所以不存在不匹配的情況，也就沒有缺陷。日本埼玉的諾維晶科技術(shù)公司已經(jīng)開發(fā)出150毫米的β-氧化鎵晶圓。

日本*信息與通信技術(shù)研究所（NICT，位于東京）的東脅正高（Masataka Higashiwaki）是*個發(fā)現(xiàn)β-氧化鎵在電源開關(guān)中的潛力的人。2012年，他的團(tuán)隊(duì)報告了*單晶β-氧化鎵晶體管，震驚了整個半導(dǎo)體器件界。這是一種名為“金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管”的器件。它有多好呢？擊穿電壓是功率晶體管的關(guān)鍵指標(biāo)之一，達(dá)到這個臨界點(diǎn)，半導(dǎo)體阻止電流流動的能力就會崩潰。東脅研究的開創(chuàng)性晶體管的擊穿電壓大于250伏。相比之下，氮化鎵花了近20年的時間才達(dá)到這一水平。

在東脅的開創(chuàng)性研究中，他還介紹了由于使用高臨界電場強(qiáng)度的材料而大幅降低功率損耗的情況。電場強(qiáng)度以Ec表示，是氧化鎵真正的超能力。簡單地說，如果在兩個導(dǎo)體之間放置一種材料，把電壓調(diào)高，那么Ec就是該材料開始導(dǎo)電的電場，而且導(dǎo)電能力很強(qiáng)，有時會帶來災(zāi)難性后果。硅的臨界電場強(qiáng)度通常為每厘米幾百千伏，而氧化鎵的臨界電場強(qiáng)度為每厘米8兆伏。 91ca3cbfcca328f25f72b0e504422958

非常高的Ec對理想的功率開關(guān)晶體管而言至關(guān)重要。理想情況下，設(shè)備會在兩種狀態(tài)之間即時切換：一直導(dǎo)通，在沒有電阻的情況下導(dǎo)電；一直斷開，處于完全不導(dǎo)電的狀態(tài)。這兩種不可能的極端意味著兩種截然不同的器件幾何結(jié)構(gòu)。對于關(guān)斷狀態(tài)，晶體管的源極和漏極之間需要有一個較厚的材料區(qū)域，以防止導(dǎo)通和阻止大電壓。對于導(dǎo)通狀態(tài)，則需要一個無限薄的區(qū)域，使之沒有電阻。

當(dāng)然，兩者不可兼得。材料的臨界電場強(qiáng)度決定了在關(guān)閉狀態(tài)下，這個區(qū)域到底能有多薄。 “巴利加優(yōu)值”是低頻功率開關(guān)半導(dǎo)體的關(guān)鍵指標(biāo)，它以IEEE榮譽(yù)勛章獲得者B.賈揚(yáng)特?巴利加（B.Jayant Baliga）的名字命名。本質(zhì)上，它表示的是器件的輸出在高電壓下對輸入信號細(xì)節(jié)的再現(xiàn)程度。對于在千赫茲范圍的頻率下作為開關(guān)工作的晶體管而言，這是一個非常重要的特性。這類器件多見于多千伏級變電站設(shè)備、醫(yī)學(xué)成像用的高能光子發(fā)生器以及電動汽車和工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器的功率逆變器中。在這類應(yīng)用中，氧化鎵有一個天然優(yōu)勢。在這些頻率下，優(yōu)值與臨界電場強(qiáng)度的立方成正比。所以，Ec高意味著優(yōu)值好。數(shù)學(xué)運(yùn)算背后的事實(shí)是：這種開關(guān)大部分時間里要么處于完全接通的狀態(tài)，要么完全關(guān)閉，很少會在兩者之間切換。因此，大部分功率損耗僅僅來自設(shè)備開啟時的電流阻力。Ec值高，則可以使用更薄的器件，這意味著阻力更小。東脅的研究傳達(dá)出的信息很簡單：可以使用強(qiáng)力高電場強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)低頻時損耗很少的高壓開關(guān)。其他團(tuán)隊(duì)很快就明白了這一點(diǎn)。2013年，研究人員研發(fā)了擊穿電壓為370伏的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）。2016年，當(dāng)時在NICT東脅團(tuán)隊(duì)工作的王文海（Man Hoi Wong，音）利用一種名為“場鍍”（field plating）的附加結(jié)構(gòu)將擊穿電壓提高到了750伏。在這些器件中，氧化鎵實(shí)現(xiàn)高工作電壓相對容易，這一成績相當(dāng)顯著；僅僅幾年，這種材料的研究就取得了長足進(jìn)步，而氮化鎵的研究則花了幾十年的時間。 13557dda65a1141900288accf33ca3e5

不過，在更快的開關(guān)電源應(yīng)用中，氧化鎵是否有用？Ec在這里也很重要，這可能會給氧化鎵帶來很大的優(yōu)勢。在更高的頻率下，比如100千赫茲到1兆赫，與接通或關(guān)閉狀態(tài)相比，器件花費(fèi)在切換上的時間將成比例地增加。開關(guān)過程中的損耗等于器件的電阻與開關(guān)切換時晶體管柵極上所需積聚電荷的乘積。從數(shù)學(xué)計(jì)算來看，這意味著損耗與臨界電場強(qiáng)度的平方成正比，而不是與立方成正比（就像低頻時一樣）。

從手機(jī)充電器這種簡單物件中，我們就可以看到更快的供電切換速度的好處。開關(guān)電源的工作原理是首先將墻上插頭的交流電壓進(jìn)行整流，然后將其斬波為高頻信號。變壓器將電壓降至所需水平，最后對信號進(jìn)行整流和濾波。該系統(tǒng)中最龐大的部分是變壓器和其他無源元件，只有提高頻率才能使用更小的元件。如果需要更高的頻率，那么帶隙更寬和臨界電場更高的半導(dǎo)體有助于更有效地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，同時還能簡化散熱。例如，一個1200伏的硅逆變器在20千赫的頻率下切換的功率約為3千瓦。在150千赫的頻率下切換時，相同功率的碳化硅逆變器可以在更高的溫度下在尺寸僅為1/3的封裝中工作。基于氧化鎵的類似逆變器能夠以接近兆赫的頻率在相同的高溫下工作，并且尺寸還可以再小一半（雖然需要尚未發(fā)明的磁性元件）。因此，氧化鎵等材料的真正電子性能來自于充分利用其臨界電場強(qiáng)度，但這個臨界電場強(qiáng)度值到底是多少呢？直到2015年，尚無團(tuán)隊(duì)給出這種材料可實(shí)現(xiàn)場強(qiáng)的真實(shí)數(shù)字。和其他器件一樣，初步結(jié)果遠(yuǎn)未達(dá)到理論極限。在俄亥俄州萊特帕特森空軍基地的美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）工作時，我和我的同事接受了這個挑戰(zhàn)。我們遇到的*個問題是，任何使用具有如此高場強(qiáng)的材料制成的器件，都有可能超過可用測試設(shè)備的極限。原則上，2微米的材料可以阻擋1.5千伏以上！因此，我們建造了一個簡單的MOSFET，縮小了它的幾何結(jié)構(gòu)，以適合更低的電壓；柵極和漏極之間的間隙（電場最高的位置）只有600納米。這樣做，部分是為了更便捷地測量Ec的峰值，也因?yàn)槲覀兿Ｍ茉谏漕l頻率下測試器件（因?yàn)楦笮偷母邏涸O(shè)計(jì)不允許這樣做）。在這個早期研究中，晶體管能夠承受230伏電壓，這是射頻測試設(shè)備的極限。由此產(chǎn)生的平均電場至少為每厘米3.8兆伏，而模擬表明內(nèi)部電場峰值至少為每厘米5.3兆伏。相較于完整的每厘米8兆伏，*次嘗試的時候就測到了如此大的一部分，對此我們感到很驚訝！這是*通過試驗(yàn)證明氧化鎵的Ec值大于氮化鎵的理論值（約為每厘米3.3兆伏）。客觀來說，一個額定電壓為600伏的類似氮化鎵功率晶體管的柵極-漏極間隙通常為15到20微米，而我們的是600納米。取得這個結(jié)果之后，功率開關(guān)晶體管的研究開始以驚人的速度發(fā)展。2017年，我們制造了擊穿電壓大于600伏的MOSFET。2018年初，采用不同幾何結(jié)構(gòu)的MOSFET實(shí)現(xiàn)了達(dá)到或超過硅的理論極限的高頻損耗值。此外，我們現(xiàn)在有了明確的方向，可以在未來幾年內(nèi)達(dá)到或超過最先進(jìn)的氮化鎵值。

2015年，在測量功率開關(guān)的Ec時，我們還推測，同樣地在更小的器件中允許更高的電場，氧化鎵可能會在射頻電路中取得類似成功。不過那時我們?nèi)鄙僖粋€關(guān)鍵信息，即還沒有關(guān)于材料中的電子速度與電場的函數(shù)關(guān)系的公開數(shù)據(jù)。

在用于放大射頻信號的晶體管中，電子速度尤其重要。對射頻技術(shù)來說，高功率輸出和高頻率是目標(biāo)，約翰遜優(yōu)值（JFOM）對此進(jìn)行了總結(jié)。約翰遜優(yōu)值表明，射頻晶體管的功率和頻率的乘積與半導(dǎo)體材料中載流子的最大速度和Ec的乘積直接成正比。其中的關(guān)鍵在于，在射頻晶體管中，只有當(dāng)載流子能夠在射頻波形的極性轉(zhuǎn)換之前從源極一路到達(dá)漏極，才能實(shí)現(xiàn)放大。發(fā)生這種情況的最高頻率稱為“統(tǒng)一電流增益頻率”（fT）。此處，氧化鎵的高臨界電場再次發(fā)揮作用，因?yàn)槟憧梢钥s小臨界距離，同時仍然提供強(qiáng)大的電場來加速電子使其達(dá)到最高速度。 2017年，我們在美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)了*亞微米級的氧化鎵射頻MOSFET。這些器件一開始的數(shù)據(jù)就令人印象深刻，雖然這些數(shù)據(jù)與氮化鎵的數(shù)據(jù)不是一個級別。它們的統(tǒng)一電流增益頻率為3千兆赫，最大振蕩頻率為13千兆赫；800兆赫時，輸出功率密度為每毫米230毫瓦。之后，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室還展示了1千兆赫時，脈沖射頻功率輸出密度超過每毫米500毫瓦的情況，最大振蕩頻率接近20千兆赫。更令人鼓舞的是，大約在同一時期，布法羅大學(xué)的克里什內(nèi)杜?戈什（Krishnendu Ghosh）和烏塔姆?辛吉塞蒂（Uttam Singisetti）發(fā)表了理論計(jì)算結(jié)果，表明氧化鎵的JFOM明顯優(yōu)于氮化鎵。自2017年*展示其射頻性能以來，射頻氧化鎵技術(shù)取得的最顯著的進(jìn)步是斯里拉姆?里希納穆爾蒂（Sriram Krishnamoorthy）以及他與俄亥俄州立大學(xué)的希達(dá)思?拉詹（Siddharth Rajan）團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型摻雜技術(shù)和經(jīng)過改進(jìn)的摻雜技術(shù)。這些技術(shù)借鑒了硅技術(shù)，在使用這些技術(shù)生產(chǎn)的半導(dǎo)體中，發(fā)生導(dǎo)電的材料片中的電阻非常低，大約為每平方300歐姆（這就是正確的單位）。這和氮化鎵器件中的水平相當(dāng)。得到這一結(jié)果后不久，拉詹和加州大學(xué)圣芭芭拉分校的研究人員獨(dú)立研發(fā)了類似高電子遷移率晶體管（HEMT）的氧化鎵。這類器件通常由砷化鎵（GaAs）或氮化鎵制成，是手機(jī)和衛(wèi)星電視接收器的重要射頻支柱。這類器件不是通過體半導(dǎo)體的摻雜溝道導(dǎo)電，而是通過在兩個帶隙不同的半導(dǎo)體之間的尖銳界面上形成的二維電子氣來導(dǎo)電。這種情況中的半導(dǎo)體是氧化鋁鎵和氧化鎵，與智能手機(jī)中的商用砷化鋁鎵/砷化鎵HEMT技術(shù)完全相似。這些關(guān)鍵突破有利于射頻器件的縱向和橫向擴(kuò)展。盡管這些發(fā)展很有前景，但氧化鎵不太可能挑戰(zhàn)砷化鎵或氮化鎵在所有射頻應(yīng)用中的地位。了解到它本質(zhì)上是一款很好的開關(guān)后，我們希望它在開關(guān)模式放大器（如D類、E類，或F類）中具備優(yōu)勢。在這些放大器中，該器件運(yùn)行時的導(dǎo)通電阻非常低，并且可以利用低電流、高擊穿電壓特性來實(shí)現(xiàn)非常高的效率。另一方面，要求低阻抗和高電流的器件應(yīng)用將青睞氮化鎵，主要是因?yàn)槠漭d流子遷移率和載流子密度較高。

那么，氧化鎵有什么缺點(diǎn)？這種材料的致命弱點(diǎn)在于它的導(dǎo)熱性不佳。事實(shí)上，在所有可用于射頻放大或功率切換的半導(dǎo)體中，它的導(dǎo)熱性最差。氧化鎵的熱導(dǎo)率只有金剛石的1/60，碳化硅（高性能射頻氮化鎵的基底）的1/10，約為硅的1/5。（有趣的是，它可以媲美主要射頻材料砷化鎵。）低熱導(dǎo)率意味著晶體管中產(chǎn)生的熱量可能會停留，有可能極大地限制器件的壽命。

不過，在放棄它之前，需要考慮以下問題：由于材料會對器件產(chǎn)生影響，因此要得到有關(guān)其熱導(dǎo)率的真實(shí)同類比較結(jié)果，我們需要將它標(biāo)準(zhǔn)化為材料處理功率的能力。換言之，要除以Ec才能準(zhǔn)確比較實(shí)際器件中的預(yù)期熱問題。由此我們會發(fā)現(xiàn)，每種帶隙比硅大的半導(dǎo)體（甚至是金剛石）在充分發(fā)揮其潛能時，都有散熱問題。雖然這一事實(shí)對氧化鎵而言于事無補(bǔ)，但它能推動我們努力尋找更好的散熱方法。
例如，日本*信息與通信技術(shù)研究所東京實(shí)驗(yàn)室的研究人員將p型多晶碳化硅粘合到了薄約10微米的氧化鎵晶圓的背面，大大提高了器件的熱阻。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)，在某些器件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，幾乎所有的熱量都是在材料頂部1微米處產(chǎn)生的，因此他們模擬了接觸電極和使用介質(zhì)填料將熱量分流到散熱器的效果，并取得了較好的結(jié)果。這也是目前商用砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極晶體管中使用的辦法。因此，盡管氧化鎵存在熱量方面的挑戰(zhàn)，但聰明的工程設(shè)計(jì)能夠克服該問題。 6520b4533e3bf70a9966215ba0ad9e51

另一個更基本的問題是，我們只能讓氧化鎵傳導(dǎo)電子而不能實(shí)現(xiàn)空穴導(dǎo)電。從來沒有人能用氧化鎵制造*的p 型導(dǎo)體。此外，令人沮喪的是，這種材料的基本電子特性使其在這方面希望渺茫。特別是，這種材料的能帶結(jié)構(gòu)的價帶部分不具有空穴傳導(dǎo)的形狀。因此，即使有一種摻雜劑能使受體處于正確能級，所產(chǎn)生的空穴也會在它幫助傳導(dǎo)之前困住自己。理論和數(shù)據(jù)如此一致時，很難找到辦法解決這個問題。

雖然這一弱點(diǎn)確實(shí)帶來了更多挑戰(zhàn)，但它并非阻礙。許多所謂的僅限于大多數(shù)運(yùn)營商的設(shè)備也取得了商業(yè)成功，比如USB-C壁式充電器。氧化鎵器件技術(shù)的研究階段剛剛開始達(dá)到臨界規(guī)模，我們正在規(guī)劃快速開關(guān)、多千伏級功率晶體管和射頻器件的應(yīng)用空間。如今，經(jīng)常有新的千伏級器件被研發(fā)出來。幾十納米臨界尺寸的射頻晶體管即將問世。我非常希望隨著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，我們能夠?qū)崿F(xiàn)以前在任何其他材料中都無法實(shí)現(xiàn)的器件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

當(dāng)然，在發(fā)展的道路上我們會打破一些東西（主要是電介質(zhì)），但這就是顛覆性技術(shù)的定義。我們用已知的東西來換取潛在的性能，而目前，氧化鎵的性能潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其問題。

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