【国际时事】氧化镓高压开关助力 AI 数据中心高速发展

        美国布法罗大学 (University at Buffalo) 的 Singisetti 教授解释了为何氧化镓半导体可能成为社会人工智能转型的关键参与者。

氧化镓是一种有前景的超宽带隙 (UWBG) 功率半导体

        氧化镓是目前正在研究用于功率应用的几种超宽带隙 (UWBG) 半导体之一。氧化镓的单斜 β 相具有约 4.8 eV 的能带隙，大约是硅带隙的五倍。大的带隙使得电网级电力传输所需的高电压操作成为可能。除了带隙之外，还有几个其他关键因素使氧化镓在从学术实验室向现场应用过渡中具有优势。

        氧化镓与硅的相似性是一个关键优势。从氮化镓和碳化硅的适应过程中吸取的经验可以应用于这项新兴技术，从而促进从实验室到工厂的更容易过渡。

        虽然有几种材料具有大带隙，但区分绝缘体和半导体的是浅施主（掺杂剂）的可用性，这使得它们能够在室温下导电。氧化镓具有多种浅施主（Si、Ge、Sn），使其成为一种有前景的 UWBG 功率半导体。氧化镓中的有意掺杂密度可以在多个数量级上控制，范围从 10¹⁵ cm^-3 到10²⁰ cm^-3。对于高压应用，实现 范围内的有意掺杂至关重要。这种纯度水平明显低于人造宝石中的纯度，这突显了任何 UWBG 半导体所面临的挑战。此外，极纯的材料需要以低成本合成。由于用于衬底生产的熔体生长方法的可用性以及由此产生的同质外延，可以经济高效地生长高质量的氧化镓薄膜。

        用于垂直功率器件的低成本衬底的作用怎么强调都不过分。由于任何新兴的功率技术都必须与硅功率电子设备竞争，而硅功率电子设备的成本由于数十年的技术发展而极低，因此成本成为决定性因素。衬底具有双重作用，既提供机械支撑，又为功率器件提供低电阻背接触。氧化镓可以使用各种熔体生长方法进行生长，由于材料利用率高，这些方法非常具有成本效益。此外，衬底可以通过 Sn、Si 或 Ge 进行高度掺杂以降低衬底电阻。衬底电阻在商用碳化硅器件的总电阻中占很大比例；因此，开发 UWBG 衬底中的高掺杂是当务之急。

        功率器件制造链中的另一个参数是栅极氧化物的可用性以及可靠的刻蚀、注入和形成接触的方法。二氧化硅和氧化铝都已用于多千伏氧化镓晶体管中。氧化镓可以在标准的氯基反应离子刻蚀系统中进行刻蚀。离子注入已成功用于形成源极-漏极区域。退火温度低于 1000 °C，这降低了炉子的成本。这些优势使得将氧化镓制造集成到现有硅工厂中变得容易。事实上，氧化镓制造可以提高现有 WBG 铸造厂的利用率，为进一步降低成本提供了途径。除此之外，还有经过良好校准的输运模型，可用于商业器件模拟器中。

氧化镓二极管和 MOSFET 已展示出 10 kV 运行能力

        由于上述优势，已展示出可实现 10 kV 运行的氧化镓二极管和 MOSFET。此外，还有关于短路耐受性、UIS (非钳位感性开关) 测试和开关耐受性的报道。已展示出功率器件品质因数达到 的小面积 MOSFET 和二极管。所有这些都表明了氧化镓高压器件的电气性能潜力。

        最后，氧化镓一个众所周知的难点是其低热导率，这是由其晶体结构引起的。对于电网级应用，可以解决这一挑战，因为高压装置目前对晶闸管使用先进的冷却技术。相同的冷却基础设施可用于氧化镓功率器件。此外，先进的封装技术，例如双面冷却，已被证明对实验性氧化镓器件是有效的。

        总而言之，氧化镓拥有基本材料特性和关键技术优势，尤其是在 10-20 kV 功率 MOSFET 方面。衬底的可用性可以提供超越现有功率器件技术的关键价值主张。同时，AI 功耗需求的增长可以提供所需的市场激励。虽然这些预测基于合理的理由，但最终的证明还在于实践。氧化镓晶体管必须凭自身实力站稳脚跟，并展示电网应用所需的热鲁棒性。