【国际论文】美国佛罗里达大学：Ga₂O₃在功率器件与紫外光探测器应用中的现状

        由美国佛罗里达大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Reviews 发布了一篇名为 Status of Ga₂O₃ for power device and UV photodetector applications（Ga₂O₃ 在功率器件与紫外光探测器应用中的现状）的文章。

        作为一种超宽禁带半导体，氧化镓（Ga₂O₃）因其卓越的材料特性，在下一代高功率电子器件和深紫外（DUV）光电探测器领域引起了广泛的研究兴趣。Ga₂O₃ 存在多种晶相（α, β, γ, δ, ε），其中热力学最稳定的是单斜晶系的 β 相。β-Ga₂O₃ 具有约 4.8 eV 的超宽禁带、高达 8 MV/cm 的理论击穿场强和极高的巴利加优值（BFOM），使其在理论性能上超越了碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等传统的宽禁带半导体。β-Ga₂O₃ 的一个核心优势是可以通过如提拉法、导模法等成本相对低廉方式，生长出大尺寸、高质量的单晶衬底，这为器件的低成本和规模化生产提供了可能。本文旨在全面综述 Ga₂O₃ 材料的最新研究进展，重点关注其在功率器件和紫外光电探测器两个主要应用方向的现状、挑战与前景。

        氧化镓（Ga₂O₃）因在下一代电力电子设备及日盲紫外线（UV）光探测器领域的应用潜力，过去十年间成为广泛研究的对象。尽管 Ga₂O₃ 展现出适用于恶劣环境的优异材料特性，其商业可行性仍存争议，尤其当与氮化铝（AlN）和金刚石等具有卓越固有性能的材料相比时。本文聚焦当前阻碍 Ga₂O₃ 基器件大规模商业化的关键挑战，包括：技术基础相对不成熟、难以实现稳定的p型导电性、固有导热性低、存在晶体缺陷（纳米/微米级空洞）以及制造成本高昂，这些因素均对器件可靠性和可扩展性造成负面影响。目前正探索多种缓解策略，包括异质结技术应用、晶圆键合等热管理方案开发以及缺陷钝化方法。本讨论的核心焦点在于 Ga₂O₃ 基功率电子器件短期内实现商业化的可行性。当前发展态势显示：相较于金刚石或氮化铝功率电子器件，Ga₂O₃ 技术研发已取得显著领先，但受限于基板供应商基础薄弱，且缺乏能显著超越碳化硅功率器件的器件应用愿景。各国研发重点呈现显著地域差异：中国侧重电网应用，而欧美则更倾向于将 Ga₂O₃ 器件应用于国防与航空航天领域。

        Ga₂O₃ 在下一代电力电子领域展现出巨大潜力，其效率、功率密度及耐温性均优于硅材料。然而要实现商业化应用，需在材料生长、器件制造及系统集成方面取得突破。随着电气化进程加速，只要攻克这些技术难关，Ga₂O₃ 有望在构建可持续能源未来中发挥关键作用。太阳盲紫外光探测市场规模较小，目前尚不明确 Ga₂O₃ 是否具备超越竞争技术的优势。中美两国均在投资 Ga₂O₃ 电力电子技术，但侧重点可能不同：中国更侧重于特高压电网应用，而美国则可能聚焦于国防、航空航天及中压工业领域。对中国而言，优先任务是加速在 UHV 变电站部署Ga₂O₃ 二极管。相关研发重点在于提升热封装技术以满足电网级可靠性要求。美国则应优先推动 Ga₂O₃ 在国防系统中的应用并监测电网电位。此时研发重点或转向工业电力系统的 Ga₂O₃-SiC 混合模块。Ga₂O₃ 虽非 SiC/GaN 的替代品，却有望革新特高压电网。欧美可能在国防与交通领域跟进应用，但电网大规模普及取决于热管理与可靠性难题的解决。值得注意的是，人工智能应用将引发电网扩张预期。为应对人工智能的预期爆发式增长，中美两国电网必须进行史无前例的扩容。人工智能数据中心的能源需求凸显了基础设施升级的必要性。美中两国均需通过新建可再生能源项目、先进核电及电网现代化快速扩容，以避免能源瓶颈。若缺乏此类投资，人工智能的扩张速度可能超过能源供给能力。

图1. 不同类型 Ga₂O₃ 导热系数报道值汇总。

图2. 不同 Ga₂O₃ 多形体的发光光谱汇总及光学带隙测定。

图3. 采用EFG法生长的 β-Ga₂O₃ 晶体照片，典型尺寸为长 ~110 mm、宽 30 mm。

图4. 6 英寸 β-Ga₂O₃ 单晶衬底照片。

图5. 历年 β-Ga₂O₃ 晶圆直径的发展进程。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0285075