半导体研究重心正逐步转向宽禁带(WBG)半导体,以氧化镓(Ga₂O₃)超宽禁带(UWBG)最为闪耀_2025pcimasia宽禁带器件展

在当今快速发展的电力电子领域，传统的硅(Si)基器件虽已广泛应用于各类电力转换场景，但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，其局限性愈发明显。特别是在需要实现20kV以上超高压电力转换的领域，硅基器件的低禁带宽度(bandgap)特性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，不仅造成了能量浪费，还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)。其中，SiC已发展成为一个成熟的商业化电力电子技术平台，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10kV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10kHz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4.85eV，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。

一、氧化镓的核心优势

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。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。

(一)独特的晶体生长优势

与SiC和GaN等其他宽禁带半导体在衬底生长上面临的挑战不同，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。

(二)可控的n型导电性

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10¹⁴cm⁻³到高于10²⁰cm⁻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。

(三)卓越的材料特性

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4.6-4.9eV，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。

二、氧化镓电力电子器件架构与进展

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。

(一)多样的器件架构探索

垂直型场效应晶体管(如FinFET) 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-Ga₂O₃FinFET能够阻断高达4.2kV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-(AlₓGa₁₋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。

(二)二极管的商业化进展和类型

肖特基势垒二极管(SBD)

性能卓越：氧化镓SBD已实现超过3kV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1GW/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。

其他二极管类型进展

异质结肖特基二极管：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。

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。

氧化镓(Ga₂O₃)作为超宽禁带(UWBG)半导体材料的代表，凭借其独特的晶体生长优势、卓越的材料特性以及在电力电子器件开发中的显著进展，正成为半导体领域的耀眼明星。其在实现更高耐压、更高效率和更低能量损耗方面的巨大潜力，使其在未来的电力电子领域具有广阔的应用前景。

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