氮化镓！超强半导体材料
2021-07-20
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在IEEE SPECTRUM中文版《科技纵览》2002年5月刊中，已故的莱斯特•F.伊斯曼（Lester F. East-man）和乌梅什•K. 米什拉（Umesh K.Mishra）谈到了当时功率半导体界的一项大胆技术：氮化镓（GaN）。对于强大耐用的射频放大器在当时新兴的宽带无线网络、雷达以及电网功率切换应用中的使用前景，他们表达了乐观的看法。他们称氮化镓器件为“迄今为止最坚固耐用的晶体管”。
伊斯曼和米什拉是对的。氮化镓的宽带隙（使束缚电子自由断裂并有助于传导的能量）和其他性质让我们能够利用这种材料承受高电场的能力，制造性能空前的器件。
如今，氮化镓是固态射频功率应用领域无可争议的冠军。它已经在雷达和5G无线技术中得到了应用，很快将在电动汽车的逆变器中普及。你甚至可以买到基于氮化镓的USB壁式充电器，它们体积小且功率非常高。
不过，还有比它更好的东西吗？有能让射频放大器变得更强大更高效的装置吗？有能让电力电子设备体积变得更小，让飞机和汽车上使用的电子设备更轻、更小的装置吗？我们能找到带隙更大的导电材料吗？
是的，我们可以。事实上，许多材料都有更大的带隙，但量子力学的独特性意味着，几乎所有这些材料都不能用作半导体。不过，透明导电氧化物氧化镓（Ga2O3）是一个特例。这种晶体的带隙近5电子伏特，如果说氮化镓（3.4eV）与它的差距为1英里，那么硅（1.1eV）与它的差距则好比一个马拉松。金刚石和氮化铝的带隙更大，但它们不具备氧化镓所具备的幸运特性，氧化镓有助于制造价格低廉但功能强大的器件。
一种材料仅仅有宽带隙是不够的。所有的电介质和陶瓷都有宽带隙，否则它们就不会被用作绝缘体了，而氧化镓有一组独特的特性，它可以作为功率切换和射频电子器件的半导体从而发挥巨大作用。
它的特点之一是，通过掺杂的方法，可以在氧化镓中加入电荷载流子，使其更具导电性。掺杂包括向晶体添加一定量的杂质，以控制半导体中载流子的浓度。对于硅，可以使用离子注入法，然后退火处理，在晶体中掺杂磷（以添加自由电子）或硼（以减去自由电子），从而使电荷能够自由移动。对于氧化镓，可以用同样的方法在晶体中掺杂硅来添加电子。如果在任何其他宽带隙氧化物中这样做，结果可能是破碎的晶体和晶格斑点，这样的话电荷会被卡住。
氧化镓能够适应通过“离子注入”标准工艺添加以及外延生长（沉积额外的晶体）过程中添加的掺杂剂，因此我们能够借用各种各样的既有商业光刻和加工技术。借助这些方法，精确定义几十纳米的晶体管尺寸和产生各种各样的器件拓扑结构变得相对简单。其他宽带隙的半导体材料不具备这种难以置信的有用特性，甚至氮化镓也不例外。
氧化镓的另一个优点是，实际上很容易根据需要制造氧化镓晶体大晶圆。虽然氧化镓晶体有几种类型，但最稳定的是β，其次是ε和α。其中，有关β-氧化镓的综合性质的研究最多，这主要得益于日本筑波的日本国家材料科学研究所和柏林莱布尼茨晶体研究所的开拓性工作。β-氧化镓特别有趣的一点是，它具备良好的热稳定性，因此可以使用大量的商业技术来制造，包括用于制造硅片的提拉法。此外，也可以使用“边缘定义、薄膜馈电晶体生长”技术来生产β-氧化镓晶圆，杂货店结账用的条形码扫描仪上的蓝宝石窗口就是这样制造的。如今，甚至可以使用可高度扩展的垂直坩埚下降（Bridgman-Stockbarger）技术生长晶体。
这与其他宽带隙半导体的区别，怎么夸张都不过分。除碳化硅（SiC）以外，其他所有新兴宽带隙半导体根本没有大尺寸半导体基底可供生长大晶体。这意味着它们必须生长在另一种材料盘中，而这是有代价的。例如，氮化镓通常依靠复杂的工艺在硅、碳化硅或蓝宝石基底上生长。不过，这些基底的晶体结构明显不同于氮化镓的晶体结构，这种差异会造成基底和氮化镓之间的“晶格失配”，从而产生大量缺陷。这些缺陷会给生产的设备带来一系列问题。氧化镓由于作为自己的基底，所以不存在不匹配的情况，也就没有缺陷。日本埼玉的诺维晶科技术公司已经开发出150毫米的β-氧化镓晶圆。
日本国家信息与通信技术研究所（NICT，位于东京）的东胁正高（Masataka Higashiwaki）是第一个发现β-氧化镓在电源开关中的潜力的人。2012年，他的团队报告了首个单晶β-氧化镓晶体管，震惊了整个半导体器件界。这是一种名为“金属半导体场效应晶体管”的器件。它有多好呢？击穿电压是功率晶体管的关键指标之一，达到这个临界点，半导体阻止电流流动的能力就会崩溃。东胁研究的开创性晶体管的击穿电压大于250伏。相比之下，氮化镓花了近20年的时间才达到这一水平。
在东胁的开创性研究中，他还介绍了由于使用高临界电场强度的材料而大幅降低功率损耗的情况。电场强度以Ec表示，是氧化镓真正的超能力。简单地说，如果在两个导体之间放置一种材料，把电压调高，那么Ec就是该材料开始导电的电场，而且导电能力很强，有时会带来灾难性后果。硅的临界电场强度通常为每厘米几百千伏，而氧化镓的临界电场强度为每厘米8兆伏。
非常高的Ec对理想的功率开关晶体管而言至关重要。理想情况下，设备会在两种状态之间即时切换：一直导通，在没有电阻的情况下导电；一直断开，处于完全不导电的状态。这两种不可能的极端意味着两种截然不同的器件几何结构。对于关断状态，晶体管的源极和漏极之间需要有一个较厚的材料区域，以防止导通和阻止大电压。对于导通状态，则需要一个无限薄的区域，使之没有电阻。
当然，两者不可兼得。材料的临界电场强度决定了在关闭状态下，这个区域到底能有多薄。
“巴利加优值”是低频功率开关半导体的关键指标，它以IEEE荣誉勋章获得者B.贾扬特•巴利加（B.Jayant Baliga）的名字命名。本质上，它表示的是器件的输出在高电压下对输入信号细节的再现程度。对于在千赫兹范围的频率下作为开关工作的晶体管而言，这是一个非常重要的特性。这类器件多见于多千伏级变电站设备、医学成像用的高能光子发生器以及电动汽车和工业电机驱动器的功率逆变器中。
在这类应用中，氧化镓有一个天然优势。在这些频率下，优值与临界电场强度的立方成正比。所以，Ec高意味着优值好。数学运算背后的事实是：这种开关大部分时间里要么处于完全接通的状态，要么完全关闭，很少会在两者之间切换。因此，大部分功率损耗仅仅来自设备开启时的电流阻力。Ec值高，则可以使用更薄的器件，这意味着阻力更小。
东胁的研究传达出的信息很简单：可以使用强力高电场强度来实现低频时损耗很少的高压开关。其他团队很快就明白了这一点。2013年，研究人员研发了击穿电压为370伏的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。2016年，当时在NICT东胁团队工作的王文海（Man Hoi Wong，音）利用一种名为“场镀”（field plating）的附加结构将击穿电压提高到了750伏。在这些器件中，氧化镓实现高工作电压相对容易，这一成绩相当显著；仅仅几年，这种材料的研究就取得了长足进步，而氮化镓的研究则花了几十年的时间。
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。
作者: Gregg H. Jessen
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