功率半导体氧化镓到底是什么

　　α-Ga2O3

　　2018年初，电装与FLOSFIA公司决定共同开发面向车载应用的新一代氧化镓功率半导体材料——α-Ga2O3。

　　α-Ga2O3是京都大学藤田静雄教授全球首次开发成功的单结晶合成材料，可用于电动车的转换器，能实现低功耗、低成本、小型轻量化。

　　FLOSFIA是于2011年由京都大学发起成立的一家合资公司。致力于α-Ga2O3功率半导体研发。2015年发表了世界最小的导通电阻0.1mΩcm2 SBD(Schottky Barrier Diode)试制数据，2016年成功研制了新型P型半导体α-Ir2O3。

氧化镓MOSFET

　　今年早些时候，布法罗大学(UB)工程与应用科学学院电气工程副教授Uttam Singisetti博士和他的学生制造了一个厚度为5微米、由氧化镓制成的MOSFET。

　　研究人员表示，该晶体管的击穿电压为1,850 V，比氧化镓半导体的记录增加了一倍多。击穿电压是将材料(在这种情况下为氧化镓)从绝缘体转换为导体所需的电量。击穿电压越高，器件可以处理的功率越高。

　　Singisetti表示，由于晶体管的尺寸相对较大，因此不适合智能手机和其他小型设备。但它可能有助于调节大规模运营中的能量流，例如收获太阳能和风能的发电厂，以及电动汽车、火车和飞机等。

　　但是，该研究还需要深入下去，以解决其导热性差的缺点。

　　纵向Ga2O3功率器件

　　近期，日本情报通信研究机构(NICT)与东京农工大学(TUAT)演示了一种“纵向的”氧化镓MOSFET，它采用“全离子注入( all-ion-implanted )”工艺进行N型与P型掺杂，为低成本、高可制造性的Ga2O3 功率电子器件铺路。

　　过去几年来，Ga2O3 晶体管的开发集中于研究横向几何结构。然而，由于器件面积较大、发热带来的可靠性问题、表面不稳定性，横向器件不容易经受住许多应用所需的高电流与高电压的考验。

　　相比而言，纵向几何结构能以更高的电流驱动，不必增加芯片尺寸，从而简化了热管理。纵向晶体管开关的特性，是通过向半导体中引入两种杂质(掺杂剂)来设计的。开关“打开”时，N型掺杂，提供移动的载流子(电子)，用于携带电流;开关“关闭”时，P型掺杂，会启动电压阻断。

　　Masataka Higashiwaki 领导的 NICT 科研小组率先在 Ga2O3 器件中使用硅作为N型掺杂剂，但是科学界长期以来一直在为找到一种合适的P型掺杂剂而努力。今年早些时候，同一科研小组，公布了用氮(N)作为P型掺杂剂的可行性。他们最新的成果包括首次通过高能量掺杂剂引入工艺，即所谓的“离子注入”，整合硅与氮掺杂，设计出一个 Ga2O3 晶体管。

　　据悉，纵向功率器件可以实现超过100A的电流和超过1kV的电压，这样的结合是许多应用所要求的，特别是电力工业和汽车电力系统所需要的。

　　热管理方法研究

　　近期，美国佛罗里达大学、美国海军研究实验室和韩国大学的研究人员也在研究氧化镓MOSFET。佛罗里达大学材料科学与工程教授Stephen Pearton表示，它们正在研究氧化镓作为MOSFET的发展潜力。传统上，这些微型电子开关由硅制成，用于笔记本电脑、智能手机和其他电子产品。对于像电动汽车充电站这样的系统，我们需要能够在比硅基器件更高的功率水平下工作的MOSFET，而氧化镓可能就是解决方案。为了实现这些先进的MOSFET，该团队确定了需要改进栅极电介质，以及更有效地从器件中释放热量的热管理方法。

　　结语

　　氧化镓是一种新兴的功率半导体材料，其禁带宽度大于硅，氮化镓和碳化硅，在高功率应用领域的应用优势愈加明显。但氧化镓不会取代SiC和GaN，后两者是硅之后的下一代主要半导体材料。

　　氧化镓更有可能在扩展超宽禁带系统可用的功率和电压范围方面发挥作用。而最有希望的应用可能是电力调节和配电系统中的高压整流器，如电动汽车和光伏太阳能系统。

　　但是，在成为电力电子产品的主要竞争者之前，氧化镓仍需要开展更多的研发和推进工作，以克服自身的不足。