知识探索
【知识探索】专家视角：电力电子的新前沿，迈向多千伏级氧化镓器件
日期：2026-03-23阅读：74
在全球电气化进程加速的背景下，电力电子系统需要在更高电压下实现更高效率运行。继碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）之后，β相氧化镓（Ga₂O₃）正逐渐成为多千伏（multi-kV）级器件的重要候选材料。
本文通过对多位国外专家的访谈，从器件结构、材料生长以及电路应用三个层面，探讨氧化镓技术的发展方向与关键挑战。
一、器件结构：面向10 kV以上的垂直MOSFET
目前，氧化镓功率器件体系已涵盖多种类型，包括：
•千伏级肖特基势垒二极管
•横向MOSFET
•垂直MOSFET
•射频晶体管
•光电导开关（PCSS）
在面向10 kV以上电压等级时，垂直器件结构被认为更具优势。
与横向器件相比，横向结构中的电场主要集中在器件表面，这限制了击穿电压，并增加了对环境因素的敏感性。而在垂直结构中，高电场区域分布在材料内部，有助于提升耐压能力。同时，垂直结构能够利用器件的纵向空间，提高集成密度，从而在更小面积内实现更高电流能力，有利于降低单位功率成本。
二、关键器件结构路径
在实现10 kV以上电压等级的过程中，主要有两种结构方案：
1. 垂直FinFET
该结构能够绕开β-Ga₂O₃中p型掺杂困难的问题，已有10 kV等级器件的相关演示结果。但其缺点在于对亚微米尺度结构的依赖，使得光刻与制造成本较高。
2. 垂直沟槽MOSFET（Trench MOSFET）
该结构的关键尺寸在微米级，更适合采用相对成熟的制造工艺，具有成本优势。但其性能依赖于电流阻挡层（CBL）的设计，在关断状态下实现10 kV以上耐压需要高质量的CBL结构。目前已通过原位掺杂和离子注入等方式进行探索。
总体来看，这两类结构的实现均依赖于高质量、厚漂移层材料的生长能力。
三、材料生长：厚漂移层的关键挑战
对于垂直器件而言，漂移层是核心部分，其厚度通常在25–100 μm范围内。该层需要同时满足：
•较高的生长速率
•低且可控的掺杂浓度
•平整的表面形貌
目前主要采用两种外延方法：
HVPE（卤化物气相外延）
具有较高的生长速率，适合制备厚外延层。但其表面较粗糙，通常需要后续抛光处理，增加成本并造成材料损耗，同时在大尺寸晶圆上的均匀性仍存在挑战。
MOCVD（金属有机化学气相沉积）
在均匀性和可扩展性方面更具优势，但当前生长速率相对有限。其发展目标是在保持低杂质和表面平整的前提下，将生长速率提升至约10 μm/h。
四、掺杂控制与材料质量
随着外延层厚度增加，维持材料质量与掺杂精度成为关键问题：
•在MOCVD中，需要抑制背景碳杂质，其会起到补偿作用
•在HVPE中，需要控制氯相关杂质，避免引入非预期的n型掺杂
此外，衬底晶面取向也对外延质量产生重要影响。例如，（011）取向被认为更适合生长高质量厚外延层。
如果生长表面不够平整，将直接影响掺杂均匀性，从而限制器件的耐压性能。
五、电路与系统层面的挑战
在实现10 kV以上器件后，其在系统中的应用仍面临多方面挑战：
1. 高电压开关应力
快速开关过程中会产生较高的电压变化率，对器件本身及绝缘系统提出更高要求。
2. 电磁干扰（EMI）
高电流变化率会带来显著的电磁干扰，需要优化有源与无源设计以及开关策略。
3. 热管理问题
氧化镓材料的热导率较低，需要通过先进散热技术及封装设计进行补偿。
六、系统级应用优势
在中压与高压电力系统（如MVDC/MVAC、HVDC/HVAC）中，氧化镓器件具备潜在优势。
目前，为实现高电压，通常需要多个器件串联使用，这会增加控制复杂度和系统成本。而若单个氧化镓器件能够承受更高电压，则可减少器件数量，从而：
•降低系统复杂度
•减少控制与通信负担
•降低导通损耗
在数据中心等应用中，固态变压器（SST）和模块化多电平变换器（MMC）被认为是重要应用方向，高压氧化镓器件有望简化这些系统结构，并提升整体能效。
