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氧化鎵Ga2O3比起GaN還具發展潛力

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科技產業資訊室 (iKnow) - Gloria 發表於 2021年3月29日

圖、氧化鎵Ga2O3比起GaN還具發展潛力
 
氧化鎵Ga2O3也是第三代半導體之一,比起GaN還具發展潛力。

在2002年5月,Lester F. Eastman和Umesh K. Mishra在IEEE Spectrum曾提出了當時功率半導體領域一項長期發展的技術:氮化鎵(GaN)的論據。他們對GaN在當時新生的寬頻無線網路、雷達以及用於電網的電源開關應用中之前景表示相當樂觀。並將GaN器件稱為“迄今為止最堅固的電晶體”。

如今,GaN已成為固態射頻功率應用領域無可爭議的冠軍,它也已經出現在雷達、5G無線領域,並很快將在電動車中使用的功率換能器中普及。現在,人們甚至可以隨意購買基於GaN器件設計的USB充電器,在其緊湊的尺寸中,提供了顯著的高功率水準。

不過,隨著透明的導電氧化物──氧化鎵(Ga2O3)出現,這讓這一情況變得可能。憑藉著氧化鎵Ga2O3在接近5電子伏特的寬能隙(WBG),領先GaN(3.4eV),也比矽(1.1eV)更具有大幅度優勢。雖然金剛石和氮化鋁的能隙比較大,但它們不具有氧化鎵的特性,那就是可以製造出廉價但功能強大的器件。

簡單來說,僅僅只有材料具有寬帶隙是不夠的,例如:所有電介質和陶瓷都擁有更大寬帶隙,但是其只能用作絕緣體。但是氧化鎵具有獨特的品質組合,使其有用,可作為功率開關和RF電子設備的材料候選人。

在對半導體至關重要的五個特性中,高臨界電場強度是β-氧化鎵的最大優勢。這有助於打造出高壓開關,也可能意味著可設計出功能強大的RF設備。但是,β-氧化鎵的最大缺點是導熱係數低,這意味著熱量可能會滯留在設備內部。

此外,氧化鎵還有一個不錯的特性,藉由摻雜(Doping)流程可以向其添加電荷載流子,增加其導電性。氧化鎵可以採用現存已建立的商業微影機和加工技術,以離子注入的標準製程,以及在外延生長過程中沉積的雜質來添加摻雜劑。

氧化鎵的另一個優點,就是在大型晶圓之結晶的氧化鎵實際上非常容易製造。日本的Novel Crystal Technology公司已經展示了150毫米的β-氧化鎵晶片。

在日本資訊和通訊技術(NICT)研究所的Masataka Higashiwaki,是第一個意識到β-氧化鎵在電源開關應用中具有潛力的人。其於2012年報告,有關於首顆單結晶的β-氧化鎵電晶體後,震驚了整個功率器件領域。

儘管這些進展令人鼓舞,但氧化鎵不太可能,在每種射頻應用中挑戰GaAs或GaN。

此外,有幾個問題必須克服,首先是Ga2O3導熱性不好;其次是只能使氧化鎵傳導電子而不是電洞。不過,專家認為Ga2O3性能潛力仍大大超過了其問題,所以仍是值得關注的技術。(805字)


參考資料:
Gallium Oxide: The Supercharged Semiconductor. IEEE Spectrum, 2021/3/24 


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