迄今为止最坚固耐用的晶体管—氮化镓器件

　　不过，在更快的开关电源应用中，氧化镓是否有用？Ec在这里也很重要，这可能会给氧化镓带来很大的优势。在更高的频率下，比如100千赫兹到1兆赫，与接通或关闭状态相比，器件花费在切换上的时间将成比例地增加。开关过程中的损耗等于器件的电阻与开关切换时晶体管栅极上所需积聚电荷的乘积。从数学计算来看，这意味着损耗与临界电场强度的平方成正比，而不是与立方成正比（就像低频时一样）。
　　从手机充电器这种简单物件中，我们就可以看到更快的供电切换速度的好处。开关电源的工作原理是首先将墙上插头的交流电压进行整流，然后将其斩波为高频信号。变压器将电压降至所需水平，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元件，只有提高频率才能使用更小的元件。如果需要更高的频率，那么带隙更宽和临界电场更高的半导体有助于更有效地实现目标，同时还能简化散热。
　　例如，一个1200伏的硅逆变器在20千赫的频率下切换的功率约为3千瓦。在150千赫的频率下切换时，相同功率的碳化硅逆变器可以在更高的温度下在尺寸仅为1/3的封装中工作。基于氧化镓的类似逆变器能够以接近兆赫的频率在相同的高温下工作，并且尺寸还可以再小一半（虽然需要尚未发明的磁性元件）。因此，氧化镓等材料的真正电子性能来自于充分利用其临界电场强度，但这个临界电场强度值到底是多少呢？直到2015年，尚无团队给出这种材料可实现场强的真实数字。和其他器件一样，初步结果远未达到理论极限。在俄亥俄州莱特帕特森空军基地的美国空军研究实验室（AFRL）工作时，我和我的同事接受了这个挑战。
　　我们遇到的第一个问题是，任何使用具有如此高场强的材料制成的器件，都有可能超过可用测试设备的极限。原则上，2微米的材料可以阻挡1.5千伏以上！因此，我们建造了一个简单的MOSFET，缩小了它的几何结构，以适合更低的电压；栅极和漏极之间的间隙（电场最高的位置）只有600纳米。这样做，部分是为了更便捷地测量Ec的峰值，也因为我们希望能在射频频率下测试器件（因为更大型的高压设计不允许这样做）。
　　在这个早期研究中，晶体管能够承受230伏电压，这是射频测试设备的极限。由此产生的平均电场至少为每厘米3.8兆伏，而模拟表明内部电场峰值至少为每厘米5.3兆伏。相较于完整的每厘米8兆伏，第一次尝试的时候就测到了如此大的一部分，对此我们感到很惊讶！这是首次通过试验证明氧化镓的Ec值大于氮化镓的理论值（约为每厘米3.3兆伏）。
　　客观来说，一个额定电压为600伏的类似氮化镓功率晶体管的栅极-漏极间隙通常为15到20微米，而我们的是600纳米。取得这个结果之后，功率开关晶体管的研究开始以惊人的速度发展。2017年，我们制造了击穿电压大于600伏的MOSFET。2018年初，采用不同几何结构的MOSFET实现了达到或超过硅的理论极限的高频损耗值。此外，我们现在有了明确的方向，可以在未来几年内达到或超过最先进的氮化镓值。
　　2015年，在测量功率开关的Ec时，我们还推测，同样地在更小的器件中允许更高的电场，氧化镓可能会在射频电路中取得类似成功。不过那时我们缺少一个关键信息，即还没有关于材料中的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，电子速度尤其重要。对射频技术来说，高功率输出和高频率是目标，约翰逊优值（JFOM）对此进行了总结。约翰逊优值表明，射频晶体管的功率和频率的乘积与半导体材料中载流子的最大速度和Ec的乘积直接成正比。其中的关键在于，在射频晶体管中，只有当载流子能够在射频波形的极性转换之前从源极一路到达漏极，才能实现放大。发生这种情况的最高频率称为“统一电流增益频率”（fT）。
　　此处，氧化镓的高临界电场再次发挥作用，因为你可以缩小临界距离，同时仍然提供强大的电场来加速电子使其达到最高速度。2017年，我们在美国空军研究实验室成功研发了首款亚微米级的氧化镓射频MOSFET。这些器件一开始的数据就令人印象深刻，虽然这些数据与氮化镓的数据不是一个级别。它们的统一电流增益频率为3千兆赫，最大振荡频率为13千兆赫；800兆赫时，输出功率密度为每毫米230毫瓦。
　　之后，美国空军研究实验室还展示了1千兆赫时，脉冲射频功率输出密度超过每毫米500毫瓦的情况，最大振荡频率接近20千兆赫。更令人鼓舞的是，大约在同一时期，布法罗大学的克里什内杜•戈什（Krishnendu Ghosh）和乌塔姆•辛吉塞蒂（Uttam Singisetti）发表了理论计算结果，表明氧化镓的JFOM明显优于氮化镓。自2017年首次展示其射频性能以来，射频氧化镓技术取得的最显著的进步是斯里拉姆•里希纳穆尔蒂（Sriram Krishnamoorthy）以及他与俄亥俄州立大学的希达思•拉詹（Siddharth Rajan）团队研发的新型掺杂技术和经过改进的掺杂技术。
　　这些技术借鉴了硅技术，在使用这些技术生产的半导体中，发生导电的材料片中的电阻非常低，大约为每平方300欧姆（这就是正确的单位）。这和氮化镓器件中的水平相当。得到这一结果后不久，拉詹和加州大学圣芭芭拉分校的研究人员独立研发了类似高电子迁移率晶体管（HEMT）的氧化镓。这类器件通常由砷化镓（GaAs）或氮化镓制成，是手机和卫星电视接收器的重要射频支柱。这类器件不是通过体半导体的掺杂沟道导电，而是通过在两个带隙不同的半导体之间的尖锐界面上形成的二维电子气来导电。这种情况中的半导体是氧化铝镓和氧化镓，与智能手机中的商用砷化铝镓/砷化镓HEMT技术完全相似。
　　这些关键突破有利于射频器件的纵向和横向扩展。尽管这些发展很有前景，但氧化镓不太可能挑战砷化镓或氮化镓在所有射频应用中的地位。了解到它本质上是一款很好的开关后，我们希望它在开关模式放大器（如D类、E类，或F类）中具备优势。在这些放大器中，该器件运行时的导通电阻非常低，并且可以利用低电流、高击穿电压特性来实现非常高的效率。另一方面，要求低阻抗和高电流的器件应用将青睐氮化镓，主要是因为其载流子迁移率和载流子密度较高。
　　那么，氧化镓有什么缺点？这种材料的致命弱点在于它的导热性不佳。事实上，在所有可用于射频放大或功率切换的半导体中，它的导热性最差。氧化镓的热导率只有金刚石的1/60，碳化硅（高性能射频氮化镓的基底）的1/10，约为硅的1/5。（有趣的是，它可以媲美主要射频材料砷化镓。）低热导率意味着晶体管中产生的热量可能会停留，有可能极大地限制器件的寿命。

　　不过，在放弃它之前，需要考虑以下问题：由于材料会对器件产生影响，因此要得到有关其热导率的真实同类比较结果，我们需要将它标准化为材料处理功率的能力。换言之，要除以Ec才能准确比较实际器件中的预期热问题。由此我们会发现，每种带隙比硅大的半导体（甚至是金刚石）在充分发挥其潜能时，都有散热问题。虽然这一事实对氧化镓而言于事无补，但它能推动我们努力寻找更好的散热方法。
　　例如，日本国家信息与通信技术研究所东京实验室的研究人员将p型多晶碳化硅粘合到了薄约10微米的氧化镓晶圆的背面，大大提高了器件的热阻。美国空军研究实验室的研究人员发现，在某些器件的拓扑结构中，几乎所有的热量都是在材料顶部1微米处产生的，因此他们模拟了接触电极和使用介质填料将热量分流到散热器的效果，并取得了较好的结果。这也是目前商用砷化镓异质结双极晶体管中使用的办法。因此，尽管氧化镓存在热量方面的挑战，但聪明的工程设计能够克服该问题。

　　另一个更基本的问题是，我们只能让氧化镓传导电子而不能实现空穴导电。从来没有人能用氧化镓制造良好的p 型导体。此外，令人沮丧的是，这种材料的基本电子特性使其在这方面希望渺茫。特别是，这种材料的能带结构的价带部分不具有空穴传导的形状。因此，即使有一种掺杂剂能使受体处于正确能级，所产生的空穴也会在它帮助传导之前困住自己。理论和数据如此一致时，很难找到办法解决这个问题。
　　虽然这一弱点确实带来了更多挑战，但它并非阻碍。许多所谓的仅限于大多数运营商的设备也取得了商业成功，比如USB-C壁式充电器。氧化镓器件技术的研究阶段刚刚开始达到临界规模，我们正在规划快速开关、多千伏级功率晶体管和射频器件的应用空间。如今，经常有新的千伏级器件被研发出来。几十纳米临界尺寸的射频晶体管即将问世。我非常希望随着这项技术的发展，我们能够实现以前在任何其他材料中都无法实现的器件拓扑结构。当然，在发展的道路上我们会打破一些东西（主要是电介质），但这就是颠覆性技术的定义。我们用已知的东西来换取潜在的性能，而目前，氧化镓的性能潜力远远大于其问题。



原作者：悦智网  Gregg H. Jessen