氧化镓-新一代半导体材料

在所有其他参数相同的情况下，对于电子应用，宽带间隙(WBG)半导体优于窄带半导体(如硅)，因为导带和价带之间的大能量分离允许这些设备在高温和高压下工作。例如，与工业巨头硅1.1eV与相对窄带间隙相比，氮化镓(GaN)的带隙为3.4eV。

带间隙测量电子进入导电状态需要多少能量；更大的带间隙使材料能够承受更强的电场，因此组件可以更薄（对于给定的电压），更轻，处理更多的功率。

硅不能提供足够的功率密度来获得必要的结果，已开发出带隙较大的半导体。尤其是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)在功率开关和/或功率放大器的应用方面取得了巨大进展。除了这些公认的市场，用于自动驾驶汽车的激光雷达传感器和用于机器人的运动控制是其他新兴领域。SiC MOSFETs在手机应用中也很常见，GaN数据中心服务器电源等600功率晶体管 V细分市场也有应用。

目前，市场上宽带间隙半导体的可用性和性能已经确定，但当碳化硅和氮化镓站稳脚跟时，另一种带间隙较大的半导体出现了。半导体氧化镓的宽带间隙(Ga2O3)有望成为肖特基势垒二极管、场效应晶体管等功率转换系统的下一代装置。由宽带间隙半导体制成的肖特基整流器开关速度快，对提高电机控制器和电源的效率、低正压降和高温可操作性非常重要。

Ga2O3的带隙是4.4至4.9电子伏取决于晶体结构，这代表了氮化镓和碳化硅的主要生长。当然，还有其他半导体，如氮化铝(AlN)还有金刚石，但到目前为止，这些只是学术界感兴趣的。

氧化镓预计在高功率和高频设备中特别有用。与其它半导体不同，它也可以直接从熔融状态生产，从而大规模生产高质量的晶体。

由于Ga2O3作为高击穿电压器件应用的主要候选人的潜力Ga2O 在过去的几年里，兴趣迅速增长。它在高功率开关中的应用约为8 MV/cm支持高临界场。像氮化镓一样，Ga2O3临界电场强度高于硅，电子迁移率高，使设备在给定的导电阻和击穿电压下尺寸更小。这使得设备在物理上更小。

Ga2O3电子产品的最初目标是用于DC/DC和DC/高功率转换器的交流应用。在开关模式功率转换器中，肖特基二极管可补充600伏硅或碳化硅整流器。应记住，在电源开关应用中，工作电压被击穿电场强度(Ebr)这里的关键规格是限制。Ga2O3的临界场强度是硅的20倍以上SiC和GaN的2倍以上。因此，它应该能够在高压和高温下工作，同时产生比当前发电设备高得多的功率。到目前为止，使用Ga2O演示的电子设备包括击穿电压> 1 kV金属氧化物半导体场效应晶体管的千伏肖特基整流器和临界场强于典型氮化镓或碳化硅值。

由于许多关键设备参数随着间隙值的指数级增加，这一改进足以证明全面开发新技术的努力是合理的。换句话说，必须补充的是，Ga2O3有限性-与其他限性WBG与材料相比，它的热导率很低。

因已提及的原因，Ga2O碳化硅和氮化镓可能会被补充，但预计不会被取代。那么，除了更成熟的碳化硅和氮化镓功率设备技术外，它还需要发挥什么作用呢？

如上所述，氧化镓的导热性很差。当你制造大功率设备时，你需要有良好的导热性来从设备中提取热量。首先，氧化镓的低导热性可以通过衬底或减少衬底、使用散热器和顶部散热来缓解。

另外，请记住，碳化硅功率器件从构思到商业化需要几十年的时间。同样，商业化GaN射频(rf)晶体管最早出现在2004年，2008年100 V器件，2012年有600 V设备。市场上销售的碳化硅和氮化镓功率设备仍然成本较高，碳化硅和氮化镓不能像硅一样从熔体中生长。

氮化镓和碳化硅目前覆盖许多相同的电压范围，氮化镓器件占主导地位，从几十到几百伏，碳化硅从大约1千伏到几千伏。氮化镓装置的未来-近期电压范围应从商用1200伏装置扩大到3300伏实验装置，碳化硅装置将扩大到600伏。换句话说，这些技术在很大程度上是互补的，并将继续共存。Ga2O这些材料不会被取代，但它们可以在更高的电压下补充。

此外，现有的硅、碳化硅和氮化镓在工艺成熟度上具有巨大的优势，尤其是硅。

对于Ga2O3.由于其基本性质的报告和研究，这次旅程才刚刚开始。飞机电子、雷达和电子战系统电源、汽车电子、电机控制器和功率调节等应用需要高效的电源和功率转换器。