【知识探索】迈向氧化镓电力电子：开启超宽禁带新篇章

        当前，以硅（Si）为基的电力电子器件已广泛应用于各类电力转换场景。然而，随着全球电气化进程的加速以及对更高效率、更高功率密度电力系统的迫切需求，硅基器件在电压处理能力、开关速度和系统效率方面的局限性日益凸显。特别是在需要实现20kV以上超高压电力转换的领域，传统硅的低禁带宽度（bandgap）特性已成为难以逾越的瓶颈。此外，硅基器件在运行过程中会产生大量热量，其中绝大部分需要通过散热措施散失，这不仅造成了能量的浪费，也显著增加了散热系统的成本，且其工作温度和开关频率也受到严格限制。

        为了突破这些技术瓶颈，半导体领域的研究重心正逐步转向宽禁带（WBG）半导体，例如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。SiC已发展成为一个成熟的商业化电力电子技术平台，SiC基逆变器能够在更小尺寸下实现更高开关频率，显著优于硅基器件。然而，即使是SiC，在电压超过10 kV时，也很难在不牺牲效率的前提下将电力转换器的开关频率提高到10 kHz以上。

        在此背景下，氧化镓（Ga₂O₃）超宽禁带（UWBG）半导体材料正迅速崛起，成为下一代电力电子器件的有力竞争者。氧化镓的禁带宽度高达约4.85 eV，这一超宽禁带特性赋予其远超SiC和GaN的材料优势，使其在实现极高耐压和高效电力电子器件方面展现出巨大的潜力。2012年，首个氧化镓晶体管的成功演示，标志着这一新兴材料在电力电子领域的突破性进展。尽管其商业化进程仍面临挑战，但氧化镓凭借其独特的优势，正成为备受业界瞩目的焦点。

图1. 电力电子器件演进及电能分配

        氧化镓（Ga₂O₃）之所以在众多新材料中脱颖而出，得益于其独特的晶体生长优势和卓越的材料本征特性，这些共同构成了其迈向未来电力电子领域的坚实基础。值得一提的是，氧化镓拥有多种晶体结构（即多晶型），包括 α-Ga₂O₃（刚玉结构）、β-Ga₂O₃（单斜晶系）、γ-Ga₂O₃（立方尖晶石）、δ-Ga₂O₃（立方）和 ε-Ga₂O₃（六方）。其中，单斜晶系的 β-Ga₂O₃是目前最稳定、研究最深入且最适用于电力电子应用的“相”，因此本文主要围绕其特性和进展进行讨论。

        区别于其他宽禁带半导体，如SiC和GaN在衬底生长上面临的挑战，β-Ga₂O₃能够像成熟的硅产业一样，采用成本效益更高的熔体生长方法（如EFG（边缘限定薄膜法）、CZ（提拉法）等）进行大批量生产。这使得其能够生产出大尺寸、高质量的单晶衬底，目前已实现4英寸晶圆的商业化供应，并有望在2027年达到6英寸。这一显著的低成本优势是推动氧化镓电力电子技术实现产业化的关键因素。

        在n型导电性方面，氧化镓展现出优异的控制能力。浅能级施主和受主（带电杂质）的存在一直困扰着所有超宽禁带（UWBG）半导体，因为禁带宽度越大，外在杂质通常距离导带（或价带）越远。然而，对于氧化镓（Ga₂O₃）而言，硅是一种高效的外在浅层施主掺杂剂，使得其能够实现从低于10¹⁴ cm^-3到高于10²⁰ cm^-3 的非常宽范围的可控导电性。这种宽范围且精确可调谐的n型导电性对于设计和制造各种性能（如不同耐压、不同导通电阻）的电力电子器件至关重要。例如，器件的不同区域（如高阻的漂移区和低阻的欧姆接触区）可以根据需求获得精确的导电率。

        除了上述生长和掺杂优势，氧化镓还拥有令人瞩目的本征材料特性。

        ● 其超宽禁带宽度高达4.6-4.9 eV，赋予了它远超Si、SiC和GaN的高达约 8MV / cm的理论击穿电场强度。这意味着氧化镓器件能够承受更高的电压，同时实现更小的芯片尺寸，极大地提升了功率密度。

        ● 此外，氧化镓还具备极高的热稳定性，熔点高达1700°C，以及优异的化学稳定性，使其能够在高温等严苛环境下可靠工作。其超宽禁带特性也赋予了它出色的耐辐射能力，使其在宇宙、核反应堆等高辐射环境中具有独特的应用潜力。

        ● 在导通电阻方面，氧化镓材料本身也具备理论上实现极低导通电阻的潜力，这对于进一步降低器件在导通状态下的能量损耗至关重要。

图2. β-Ga₂O₃导通电阻与击穿电压关系图

        在材料和晶体生长取得突破性进展的同时，氧化镓电力电子器件的开发也在迅速推进。研究人员正积极探索多种器件架构，以充分发挥氧化镓的优越性能。

        ● 垂直型场效应晶体管（如FinFET）： 理论上，垂直型器件能够最大限度地利用氧化镓的高击穿电场优势，实现极高的耐压能力。例如，已成功演示的垂直 β-Ga₂O₃ FinFET能够阻断高达4.2 kV的电压。然而，这类器件对厚外延层中的扩展缺陷较为敏感，这在一定程度上影响了其性能的稳定性和可重复性。

        ● 横向型异质结场效应晶体管（HFET）： 相较于垂直结构，横向型HFET在实现更快的开关速度和更高效率方面展现出巨大潜力。通过引入三元合金（如β-(Al_xGa_1-x)₂O₃），可以进一步提升器件的功率性能，例如实现更高的二维电子气（2DEG）密度。这种结构在需要高频开关的电源管理和射频应用中具有广阔前景。

图3. 不同类型Ga₂O₃ FET结构

1). 肖特基势垒二极管（SBD） 

        在各类氧化镓电力电子器件中，肖特基势垒二极管是目前发展最为成熟，且被业界普遍预期将首批实现商业化的器件类型。其结构相对简单，制备工艺较为可行，使得其能够较快地达到高水平的性能。

        ● 性能卓越： 氧化镓SBD已实现超过3 kV的击穿电压，同时其功率优值（BFOM，衡量器件综合性能的关键指标）也已接近1 GW/cm2，展现出与SiC二极管相匹敌的潜力。这些出色的性能使其在高压、高频开关应用中具备巨大优势。

        ● 关键技术：为充分利用氧化镓极高的击穿电场，并有效抑制器件在高压下的边缘电场集中和漏电流，研究人员开发了多种先进的边缘终端技术。这包括场板（field plate）、沟槽MOS SBD、双层介质、保护环和浮动金属环等。这些技术的应用对于提升氧化镓SBD的耐压能力和整体可靠性至关重要。

2). 其他二极管类型进展

        除了SBD，研究人员也在积极探索其他氧化镓二极管结构：

        ● 异质结肖特基二极管： 这通常指在SBD结构中引入异质界面，以进一步优化接触特性或电场分布，从而提升器件性能。

        ● p-n异质结二极管： 这类二极管的开发主要针对氧化镓自身缺乏P型导电性的根本性挑战。通过将氧化镓（N型）与另一种P型半导体材料（如镍氧化物NiO、氮化镓GaN等）结合形成异质结，从而构建出类似传统PN结的器件。虽然这类二极管对于实现氧化镓双极型器件具有关键意义，但其技术成熟度目前仍不及SBD。

3). 商业化展望

        正是由于SBD在技术上的相对成熟度，业界普遍预测，如果能够持续获得投资和研发支持，氧化镓功率二极管有望在未来十年内率先进入商业应用。

图4. 不同类型Ga₂O₃ 二极管结构

        尽管氧化镓作为下一代电力电子材料前景广阔，但其商业化应用仍面临一些关键挑战。深入理解并有效解决这些问题，是推动氧化镓技术从实验室走向市场的必由之路。

        这是氧化镓作为半导体材料所面临的最大挑战之一。由于其独特的能带结构，特别是价带结构平坦，导致空穴的有效质量很高，如图5(a)。这种特性使得空穴容易形成局域极化子并发生自陷效应，从而导致材料本身不具备稳定的P型导电性。这一根本性的限制阻碍了双极型器件（如IGBT）以及理想PN结的实现，而PN结是许多复杂电力电子器件（如PN二极管、MOSFET、IGBT）的基础组成部分。

        探索异质结集成是当前解决P型导电性缺失的主要有效途径。例如，镍氧化物（NiO）/ 氧化镓p-n异质结已被成功演示，可用于实现有效的电场管理和电荷平衡。未来，研究方向将更侧重于与P型宽禁带半导体（如GaN或AlN）进行异质集成，以期构建出高性能的p-n结器件。

图5. (a). Ga₂O₃价带结构  (b). 双面冷却示意图

        氧化镓的本征热导率极低，通常仅为11至27 W m^-1 K^-1，远低于SiC和GaN。对于高功率密度器件而言，有效的热管理是至关重要的，否则会导致器件过热，性能下降甚至失效。氧化镓的低热导率使其在散热方面面临比GaN器件更严峻的挑战。

        为解决这一问题，研究人员正从多个方面探索对策。一种可行的方案是采用顶部、底部以及双面冷却配置来辅助散热，如图5(b)的双面冷却几何配置。器件在封装时也可以安装在高导热基板上，如银-金刚石复合材料和标准铜钨合金，以实现更好的散热。另一种方法是通过使用薄且高导热的衬底，如合成金刚石进行异质外延生长来降低器件的总热阻，正如商业GaN器件利用SiC衬底的高热导率一样，合成金刚石因其热导率比铜高四倍，可成为氧化镓的最佳可行选择。此外，更具前景的方案是与高热导率的宽禁带半导体（如SiC、GaN甚至金刚石）进行异质集成。例如，将纳米晶金刚石键合或集成到横向晶体管中，已被证明能显著提升散热效率。研究人员还针对某些器件拓扑结构进行了理论模拟，通过电极接触和使用介电填充物将热量散发到散热器的方法，其理论模拟结果是很有前景的，这种方法目前已应用于商业GaAs异质结双极晶体管。综上所述，通过适当的器件工程，有望解决氧化镓的低热导率问题。

        随着氧化镓外延层厚度的增加以满足高压器件的需求，其中可能产生的点缺陷（如氧空位及其复合体）和扩展缺陷（如位错）仍然是制约器件性能、稳定性和尺寸的关键因素。这些缺陷会导致漏电流增加、击穿电压降低以及器件长期可靠性问题。

        未来数年内，对这些缺陷的深入理解、精确表征和有效控制是实现高压氧化镓器件商业化的核心任务。目前，关于氧化镓器件的可靠性数据积累仍处于早期阶段，需要大量长期的测试和研究来建立行业标准。未来数年内，对这些缺陷的深入理解、精确表征和有效控制是实现高压氧化镓器件商业化的核心任务。目前，关于氧化镓器件的可靠性数据积累仍处于早期阶段，需要大量长期的测试和研究来建立行业标准。

        传统的半导体制造工艺，特别是依赖等离子体刻蚀的干法刻蚀，可能会在氧化镓表面引入缺陷和损伤，从而影响器件的性能和可靠性。

        开发氧化镓特有的低损伤的制造工艺至关重要。例如，研究人员正积极探索湿法刻蚀和气相刻蚀等替代方案，以避免等离子体刻蚀带来的表面损伤。此外，选择性离子注入技术的突破也极为关键，它能够精确地在衬底或外延层中图案化导电和绝缘区域，从而提高器件的性能和可靠性。

        氧化镓凭借其独特的材料优势和在器件开发上的显著进展，正逐步从学术研究走向产业化应用。展望未来，持续的投资、不懈的技术创新以及在系统层面的深度融合，将共同推动氧化镓电力电子技术迈向更广阔的应用舞台。

        随着氧化镓作为下一代电力电子材料潜力的日益显现，全球范围内的研发投入和产业关注度持续提升。各主要经济体和行业巨头正积极布局，从晶体生长、外延制备、器件设计到封装测试，整个产业链的完善和成熟是未来十年内实现规模化商业化的关键。预计在持续的投资推动下，氧化镓功率二极管等初期产品有望率先进入市场。

        未来氧化镓领域的创新将是多维度的。在材料层面，对大尺寸、低缺陷、高均匀性衬底的追求将持续进行，同时，高热导率衬底的异质集成技术（如与金刚石、SiC的结合）将是提升器件散热能力的重要方向。在器件层面，除了不断优化SBD和HFET性能，p-n异质结的突破将解锁更复杂的双极型器件，进一步拓展其应用范围。此外，专用低损伤制造工艺的研发，以及在高温、高功率、极端环境等条件下器件可靠性研究的深入，都将是未来技术突破的核心。

        氧化镓超高的击穿电场强度和低导通电阻潜力，使其成为实现超高电压（>20 kV）功率转换电子设备的理想选择。在系统层面，氧化镓器件有望在以下领域发挥关键作用：

        ● 电动汽车与轨道交通： 提升电力转换效率，延长续航里程，降低系统体积和重量。

        ● 智能电网与可再生能源： 应用于高压直流输电（HVDC）、智能变电站、风力发电、太阳能逆变器等领域，提高能源转换效率和电网稳定性。

        ● 工业电源与数据中心： 满足大功率、高效率电源管理需求，降低能源消耗。

        ● 航空航天与国防： 凭借其优异的耐辐射和高温特性，在极端环境下实现可靠运行。

        综上所述，氧化镓正处于从“科研明星”向“产业主力”转变的关键时期。虽然挑战犹存，但其独特的优势和全球科研产业界的共同努力，预示着它在未来电力电子领域将扮演越来越重要的角色，引领新一轮的电力技术革命。