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潜力无限的氧化镓

半导体行业观察

来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank)编译自「IEEE」

在2002年5月, Lester F. Eastman和Umesh K. Mishra撰文谈到了当时功率半导体领域一项长期发展的技术:氮化镓(GaN)。

在那篇文章中,他们对氮化镓在当时新生的宽带无线网络,雷达以及电网的电源开关应用中中的前景表示了乐观的看法。他们也将GaN器件称为“迄今为止最坚固的晶体管”。

他们是正确的。GaN的宽带隙(使束缚的电子断裂并促进传导所需的能量)和其他品质使我们能够利用这种材料的高电场耐受能力,从而使器件具有前所未有的性能。

如今,GaN已成为固态射频功率应用领域无可争议的冠军,它已经出现在雷达,5G无线领域,并很快将在电动汽车中使用的功率逆变器中普及。现在,您甚至可以随意购买基于GaN器件设计的USB充电器,在其紧凑的尺寸中,提供了显着的高功率水平。

不过,即使如次,我们还是会问,还有比GaN更好的东西吗?有什么可以使RF放大器更强大,更高效的?有什么能使电力电子设备进一步缩小,进一步减轻飞机和汽车的负担吗?我们能找到带隙更大但仍可以导电的材料吗?

事实证明,答案是可以。

其实市场上具有不过拥有不少带隙的材料,但是量子力学的特殊性意味着他们当中的大多数几乎都不能用作半导体。然而,有一个引人注目的候选:透明的导电氧化物——氧化镓(Ga2O3)。

凭借其在接近5电子伏特的宽带隙,氧化镓领先GaN(3.4eV)一英里,与硅(1.1eV)相比,领先优势更是大到一个马拉松。我们知道,金刚石和氮化铝的带隙也较大,但它们不具有Ga2O3所具有的特性,这是一组幸运的特性,可用于制造廉价但功能强大的器件。

仅材料具有宽的带隙是不够的,因为如果这样的话,所有电介质和陶瓷都可以,这也是它们只能用作绝缘体的原因。但是氧化镓具有独特的品质组合,可以使其非常有用,可作为功率开关和RF电子设备的材料候选。

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插图:IEEE Spectrum资料来源:Gregg H. Jessen等人在“第75届年度设备研究会议(DRC)”上发表的“面向电力电子应用的Ga2O3的实现”。

在对半导体至关重要的五个特性中,高临界电场强度是β-氧化镓的最大优势。这有助于打造高压开关,也可能意味着可以基于其设计功能强大的RF设备。但是,β-氧化镓的最大缺点是导热系数低,这意味着热量可能会滞留在设备内部。

此外,氧化镓还有一个不错的特性,那就是您可以向它添加电荷载流子,以通过称为掺杂的过程使其导电性更高。掺杂涉及向晶体中添加受控量的杂质,以控制半导体中电荷载流子的浓度。例如在硅中,您可以使用离子注入,然后进行退火,以便在晶体中掺杂磷(添加自由电子)或硼(减去它们),进而使电荷可以在其中自由移动。在Ga2O3中,您可以用类似的方式添加电子。

不过如果你想尝试在其他宽带隙氧化物中使用这种方法,你最终得到的有可能粉碎的晶体和晶格中的斑点,这样的话电荷会被卡住。

氧化镓对通过标准工艺(称为离子注入)以及在外延生长期间(沉积额外的晶体)添加掺杂剂的适应性,使我们可以借用大量已建立的商业光刻和加工技术。这些方法使得在数十纳米中精确定义晶体管尺寸并产生各种方式的器件拓扑变得相对容易。然而其他具有宽禁带的半导体材料没有这个难以置信的有用功能。甚至GaN都无法做到这一点。

氧化镓的另一个优点是,随着这些事情的发展,晶体Ga2O3的大硅片实际上非常容易制造。尽管Ga2O3晶体有几种类型,但最稳定的称为β,其次为ε和α。其中,β-Ga2O3的整体研究是最多的,这主要得益于日本筑波国立材料科学研究所和位于柏林的Leibniz-Institut für Kristallzüchtung等机构的努力。

β-Ga2O3最吸引人的地方在于它的热稳定性,这使其可以使用大量目前已经广泛使用的技术来制造,包括用于制造硅晶片的Czochralski方法。我们也可以使用一种被称为edge-defined,film-fed的晶体生长技术。如今,晶体甚至可以通过高度可扩展的垂直Bridgman-Stockbarger技术生长。

很难夸大描述这种情况与其他宽带隙半导体有何不同。不过从当前看来,除碳化硅(SiC)以外,大部分的新兴宽带隙半导体根本没有在其上生长大晶体的大尺寸基板。这意味着它们必须在另一种材料的盘上生长,这是有代价的。例如,氮化镓通常以复杂的过程生长在硅,碳化硅或蓝宝石衬底上。但是这些基板的晶体结构显然与GaN的晶体结构不同,并且这种差异会在基板和GaN之间造成“晶格失配”,从而导致大量缺陷。这些缺陷为生产的设备带来了许多问题。因为Ga2O3充当其自身的衬底,没有错配,因此没有缺陷。日本的Novel Crystal Technology已经展示了150毫米的β-Ga2O3。

在日本信息和通信技术(NICT)研究所的Masataka Higashiwaki是第一个意识到β-Ga2O3在电源开关应用里潜力的人。2012年,在他的研究小组报告了首个单晶的β-Ga2O3晶体管后,他震惊了整个功率器件领域。这种产品有多好?举个例子,功率晶体管的关键指标之一就是击穿电压,达到这个临界点,半导体阻止电流流动的能力就会崩溃。而Higashiwaki推出的开创性晶体管的击穿电压大于250V。作为比较,GaN达到这一成就,花了近二十年的时间。

Higashiwaki在开创性的工作中描述,由于使用具有高临界电场强度的材料,他们还大大降低了器件的功率损耗,这个被称为E c的特性是氧化镓的真正超能力。

简而言之,如果您在两个导体之间夹有一种材料,并且提高了电压,则E c是该材料开始导电的电场。在很多时候,这个电压有时会带来灾难性的结果。硅的临界场强通常以每厘米数百千伏来测量,而Ga2O3的临界场强为每厘米8兆伏。

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空军研究实验室

高压英雄:上图这种氧化镓晶体管(在上方以两个放大倍数显示(a和b),在截面(c)中显示)仅在600纳米内保持200伏以上的电压。

当您考虑理想的功率开关晶体管时,具有非常高的E c会是最大的吸引力之一。理想情况下,设备会在两种状态之间即时切换:一直导通(无电阻导通),一直断开(完全不导通)。这两个极端有着两个非常不同的设备几何形状。对于关断状态,您需要在晶体管的源极和漏极之间放置一层较厚的材料,以防止导通并阻止大电压。对于接通状态,您需要一个无限薄的区域,让它没有阻力。

当然,您不能同时拥有两者。材料的临界电场强度决定了该区域实际上可以做到多薄到仍然关闭的状态。

低频功率开关半导体的关键指标称为Baliga品质因数,以IEEE荣誉勋章获得者B. Jayant Baliga命名。本质上,它指示设备的输出在高电压下对输入信号的细节的再现程度。对于在高达千赫兹范围的频率下作为开关工作的晶体管来说,这是一个非常重要的特性。此类设备存在于多千伏级变电站设备,用于医学成像的高能光子发生器以及用于电动汽车和工业电机驱动器的功率逆变器中。

对于所有这些甚至更多应用来说,Ga2O3具有天然的优势。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E c意味着一个很好的品质因数。

数学运算的背后是这样一个事实,即这种开关将大部分时间花费在完全接通或完全断开上,而在两者之间进行切换的时间却很少。因此,大多数功率损耗只是从电阻到设备开启时的电流。当E c高时,可以使用更薄的设备,这意味着较小的电阻。

Higashiwaki的工作传达的信息很简单:您可以使用强力的高电场强度来实现高压开关,该开关在低频时几乎不会损失功率。其他研究团体很快也领悟到了这个信息。到2013年,研究人员已经演示了击穿电压为370V的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。2016年,当时属于NICT的Higashiwaki小组的Man Hoi Wong使用一种称为场镀的附加结构将电压推至750V以上。在这些器件中,Ga2O3获得较高工作电压的相对难易程度确实非常显着。在短短几年内,对材料的研究取得了长足的进步,而GaN叶需要数十年的时间。

Ga2O3在快速开关电源应用中会有用吗?这又是大家关注的另一个点。需要强调一下,E c在这里也同样也很重要,并可能给Ga2O3带来很大的优势。

在较高的频率(例如100赫兹到1兆赫兹)下,设备开启和关闭所花费的时间成比例地增加。开关期间的损耗是器件电阻与晶体管栅极上需要积累多少电荷才能进行开关的乘积。进行数学运算,这意味着损耗与临界电场强度的平方成正比,而不是与低频的立方成正比。

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图片:空军研究实验室

上图展示了氧化镓的射频应用潜力,这种早期的氧化镓射频晶体管的一小部分(本征)对其操作很重要。降低器件中的寄生电阻可以提高功率和频率。

您会发现在手机充电器这样简单的应用中,电源切换速度更快会带来更多的好处。开关电源的工作原理是首先对墙上插头的交流电压进行整流,然后将其斩波成高频信号。变压器将电压降低至所需水平,最后对信号进行整流和滤波。该系统中最庞大的部分是变压器和其他无源组件,并且只有在增加频率时才可以使用较小的组件。而且,如果您想要更高的频率,那么具有更宽的带隙和更高的临界电场的半导体将使您更有效地获得它,同时还简化了散热。

例如,以20kHz频率开关的1200V硅逆变器可以提供大约3千瓦的功率。但是,通过以150kHz频率进行开关,且提供相同功率的碳化硅逆变器可以在尺寸为三分之一的封装中以更高的温度工作。作为对比,基于Ga2O3的逆变器可以以接近兆赫兹的频率工作,并且可以再小一半(尽管这将需要尚未发明的磁性组件)。

因此,总而言之,Ga2O3等材料的真正电子性能来自于充分利用其临界电场强度。但是那个值到底是什么呢?直到2015年,还没有一个小组对材料可达到的场强进行实测。与其他设备一样,初步结果也远未达到理论极限。

在俄亥俄州怀特·帕特森空军基地的空军研究实验室工作时,我和我的同事们正面临着这一挑战。我们遇到的第一个问题是,使用具有如此高的场强的材料制成的任何设备都有可能超越现有测试设备的极限。因为原则上,2微米的材料可能会阻塞1.5kV以上!因此,我们构建了一个简单的MOSFET,其几何尺寸按比例缩小以降低电压。电场最高的栅极和漏极之间的间隙只有600纳米。这部分是为了使测量峰值E c更加容易,而且还因为我们希望能够在RF频率下测试设备,而更大的高压设计是不允许的。

在这个早期的演示中,晶体管能够承受230V的电压,这是RF测试设备的极限。产生的平均电场为至少3.8兆伏/厘米,模拟显示内部电场的峰值至少为5.3MV/cm。(我们永远都不会在FET中观察到完整的8MV/cm),这是首次实验证明Ga2O3具有比GaN更大大的E C理论值(3.3MV/cm左右)。换个角度来看,额定工作电压为600V的,类似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。

在提出此结论之后,功率开关晶体管的就以惊人的速度发展了。2017年,我们制造了击穿电压大于600V的MOSFET。在2018年初,使用不同几何形状的MOSFET达到的高频损耗值达到或超过了硅的理论极限。更重要的是,我们现在在未来几年内有一条通向匹配或超越最新GaN值的清晰道路。

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照片:Novel Crystal Technology

与许多宽带隙半导体不同,氧化镓晶圆可以使用与硅晶圆大致相同的工艺制造。因此,这意味着无缺陷的设备可能会变得相对便宜。

当我们在2015年测量电源开关的E c时,我们还推测Ga2O3可能会在RF电路中找到类似的成功,同样是通过在较小的设备中允许更高的电场来实现的。但是那时,缺少了一些关键信息——还没有关于材料中电子速度与电场的函数关系的公开数据。

在用于放大射频信号的晶体管中,电子速度特别重要。在射频中,高功率输出和高频是目标,而Johnson’s figure of merit (JFOM)总结了这些目标。JFOM说,RF晶体管的功率和频率的乘积与半导体材料中电荷载流子的最大速度与E c的乘积成正比。在这里,我们要知道的关键是,在RF晶体管中,只有当载流子能够在RF波形的极性切换之前使它从源极一直流到漏极时,您才能得到放大。(发生这种情况的最高频率称为单位电流增益频率,即f T。)

再次,Ga2O3的高临界电场发挥了作用,因为您可以缩小该临界距离,但仍提供一个强大的电场来将电子加速到其最大速度。

在AFRL,我们设法在2017年展示了首款亚微米级的氧化镓RF MOSFET。这些设备带来了一些令人印象深刻的数字,尽管它们并不是GaN联盟中的佼佼者。它们的单位电流增益频率为3GHz,最大振荡频率为13GHz,在800MHz时的输出功率密度为230毫瓦/毫米。从那以后,AFRL的脉冲射频功率输出密度在1GHz时超过500mW/mm,最大振荡频率接近20GHz。

更令人鼓舞的是,大约在同一时间,Krishnendu Ghosh和布法罗大学Uttam Singisetti(University of Buffalo)的理论计算结果表明,氧化镓的JFOM明显优于氮化镓。

自2017年首次展示RF功能以来,RF Ga2O3技术首先在在Sriram Krishnamoorthy取得巨大进步,然后与俄亥俄州立大学的Siddharth Rajan团队一起展示了新的和改进的掺杂技术。这些技术是从硅中借来的,因此在发生导电的材料片中产生的电阻非常低,大约为每平方300欧姆。(是的,这是正确的单位。)这与您在氮化镓器件中所能找到的相当。取得这一结果后不久,Rajan和加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员,独立地展示了与高电子迁移率晶体管(HEMT)类似的Ga2O3。D:\tag\HEMT

这种类型的设备通常由砷化镓或氮化镓制成,对于手机和卫星电视接收器来说,射频都是至关重要的。此类器件通过二维电子气传导,该二维电子气在具有不同带隙的两个半导体之间的尖锐界面处形成。在这种情况下,它是氧化铝镓和氧化镓,这与智能手机中的商业化砷化铝镓/砷化镓HEMT技术完全相似。这些关键的突破为RF设备的垂直和横向扩展提供了一条途径。

尽管这些进展令人鼓舞,但Ga2O3不太可能在每种射频应用中挑战砷化镓(GaAs)或GaN。作为一款基本良好的开关,我们希望它在开关模式放大器(例如D类,E或F类)中具有优势。在这些器件中,该器件的导通电阻非常低,并且可利用低电流,高击穿电压电压特性实现非常高的效率。另一方面,要求较低阻抗和高电流的器件应用将青睐GaN,这主要是因为其电荷载流子迁移率和电荷载流子密度更高。

那么Ga2O3会面临怎样的挑战?

首先要说的是,这种材料的致命弱点是其导热性不好,甚至可以说特别糟糕。实际上,在考虑进行RF放大或功率切换的所有半导体中,这实际上是最糟糕的。氧化镓的热导率仅为金刚石的六分之一,是SiC(高性能RF GaN的衬底)的十分之一,而硅的则为五分之一。有趣的是,它与RF GaAs相当。低导热率意味着晶体管中产生的热量很可能会留在那里,并有可能极大地限制器件的寿命。

现在,请考虑以下问题:为了获得材料对设备的热导率的真实对比,您需要将其归一化为材料处理功率的能力。换句话说,您需要除以E C才能准确比较实际器件中的散热问题。当您这样做时,您发现带隙大于硅的每个半导体在充分发挥其潜力时都存在散热问题,甚至是钻石。尽管这一事实仍未对Ga2O3产生很多帮助,但它促使我们尝试寻找更好的散热方法。

例如,东京NICT实验室的研究人员通过将p型多晶SiC粘合到薄到约10µm的Ga2O3硅片的背面,大大提高了器件的热阻。而且,注意到对于某些器件拓扑,实际上所有热量都是在材料的顶部1µm中产生的,AFRL研究人员获得了令人鼓舞的结果,该结果模拟了电极接触并使用介电填料将热量分流到散热器的效果。这是当今在商业化砷化镓异质结双极晶体管中使用的技巧。因此,尽管在Ga2O3中存在热挑战,但聪明的工程师们正在努力。

另一个更根本的问题是,我们只能使氧化镓传导电子而不是空穴。没有人能用Ga2O3制成好的p型导体。而且,令人沮丧的是,该材料的基本电子特性没有太大希望。特别是,材料带结构的价带部分的空穴传导形状不正确。因此,即使存在某种掺杂剂导致受体处于正确的能级,所产生的任何空穴也有望在能有助于传导之前自陷。当理论和数据如此一致时,很难说有办法解决这个缺点。

尽管这种弱点确实带来了额外的挑战,它也并不是一帆风顺的。许多所谓的仅多数运营商的设备已经获得商业成功。作为示例,您只需要看尽可能多的USB-C壁式充电器。

Ga2O3器件技术的研究阶段才刚刚开始达到临界质量,我们现在正在规划快速开关,多千伏级功率晶体管和RF器件的应用空间。千伏级设备的新示范现在也经常出现。临界尺寸在几十纳米的RF晶体管即将问世。随着我们推动这项技术的发展,我们认为我们将能够实现以前在任何其他材料中都无法实现的设备拓扑。

当然,我们会在前进过程中打破破一些东西(主要是电介质)。但这就是破坏性技术的定义。我们用已知的东西换取潜在的性能。目前,对于Ga2O3,其性能潜力大大超过了问题。

编者按:本文转载自微信公众号:半导体行业观察(ID:icbank),作者: IEEE


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