В выпуске этого журнала за май 2002 года покойные Лестер Ф. Истман и Умеш К. Мишра обосновали то, что в то время было долгожданной технологией в мире силовых полупроводников: нитрид галлия (GaN). Они представили оптимистичный взгляд на мощные и надежные усилители радиочастоты в зарождающихся тогда широкополосных беспроводных сетях и в радарах, а также в приложениях для переключения мощности в электросетях. Они назвали устройства на основе GaN « самыми прочными транзисторами ».

Истман и Мишра были правы. Широкая запрещенная зона GaN - энергия, необходимая для освобождения связанных электронов и внесения вклада в проводимость, - и другие качества позволили нам использовать способность материала выдерживать высокие электрические поля, что привело к созданию устройств с беспрецедентными характеристиками.

Сегодня GaN является бесспорным лидером в области твердотельных ВЧ-приложений, он появился в радарах, беспроводной сети 5G и скоро станет обычным явлением в инверторах питания, используемых в электромобилях. Теперь вы даже можете купить настенные зарядные устройства USB на основе GaN, которые имеют удивительно высокий уровень мощности для своего компактного размера.

Но есть ли что-нибудь лучше? Что-то, что могло бы сделать усилители RF еще более мощными и эффективными? Что-то, что могло бы еще больше уменьшить силовую электронику, сбросив драгоценные килограммы и кубические сантиметры электроники с самолетов и автомобилей? Можем ли мы найти материалы с еще большей шириной запрещенной зоны, которые по-прежнему проводят электричество?

Да мы можем. Фактически, существует вселенная материалов с большей шириной запрещенной зоны, но особенности квантовой механики означают, что почти все они бесполезны в качестве полупроводников. Однако есть одно отличие: прозрачный проводящий оксид, оксид галлия (Ga 2 O 3 ). При почти 5 электрон-вольтах запрещенная зона этого кристалла превосходит GaN (3,4 эВ) на милю, а кремний (1,1 эВ) - на марафон. У алмаза и нитрида алюминия больше запрещенная зона, но у них нет того, что есть у Ga 2 O 3 - удачного набора характеристик, которые позволяют создавать недорогие, но очень мощные устройства.

Недостаточно для материала просто иметь широкую запрещенную зону. Все диэлектрики и керамика делают; в противном случае они не использовались бы в качестве изоляторов. Но оксид галлия обладает уникальным сочетанием качеств, которые могут сделать его чрезвычайно полезным в качестве полупроводника для силового переключения и РЧ-электроники.

Инфографика с пятью характеристиками, которые имеют решающее значение для полупроводников.
Иллюстрация: IEEE Spectrum
Источник: «На пути к реализации Ga2O3 для приложений силовой электроники», Грегг Х. Джессен и др., 75-я Ежегодная конференция по исследованиям устройств (DRC), 2017 г.
Оксид галлия в контексте: Среди пяти характеристик, которые имеют решающее значение для полупроводников, самым большим преимуществом оксида бета-галлия является высокая критическая напряженность электрического поля. Это качество помогает создавать высоковольтные переключатели, а также может означать мощные радиочастотные устройства. Однако большой недостаток оксида бета-галлия - низкая теплопроводность, а это означает, что тепло может задерживаться внутри устройства.
Одним из этих качеств является то, что вы можете добавлять носители заряда в оксид галлия, чтобы сделать его более проводящим, с помощью процесса, называемого легированием. Легирование включает добавление в кристалл контролируемого количества примесей для управления концентрацией носителей заряда в полупроводнике. В кремнии вы используете ионную имплантацию, а затем отжиг, чтобы легировать кристалл либо фосфором (чтобы добавить свободные электроны), либо бором (чтобы вычесть их), что позволяет зарядам свободно перемещаться. В Ga 2 O 3 вы можете легировать кристалл кремнием таким же образом, чтобы добавить электроны. Попробуйте это в любом другом оксиде с широкой запрещенной зоной, и все, что вы получите, - это раздробленный кристалл и пятна в решетке, в которых заряд застревает.

Подверженность оксида галлия легирующим добавкам, добавляемым с помощью стандартного процесса, называемого ионной имплантацией, и во время эпитаксиального роста - осаждения дополнительного кристалла - позволяет нам заимствовать широкий спектр известных коммерческих методов литографии и обработки. Эти методы делают относительно тривиальным точное определение размеров транзисторов в десятки нанометров и создание всевозможных топологий устройств. Другие полупроводниковые материалы с широкой запрещенной зоной не обладают этой невероятно полезной функцией. Даже GaN не может сделать этого.

Еще одно преимущество состоит в том, что большие пластины кристаллического Ga 2 O 3 на самом деле довольно легко изготавливать при таких условиях. Хотя существует несколько типов кристаллов Ga 2 O 3 , наиболее стабильный обозначается буквой β, за которой следуют ε и α. Из них объемные свойства β-Ga 2 O 3 изучены лучше всего благодаря новаторским усилиям Национального института материаловедения в Цукубе, Япония, и Leibniz-Institut für Kristallzüchtung в Берлине. Что особенно интересно в β-Ga 2 O 3заключается в том, что его термостойкость позволяет изготавливать его с использованием массовых коммерческих технологий, включая метод Чохральского , который используется для изготовления кремниевых пластин. Пластины β-Ga 2 O 3 также могут быть произведены с использованием технологии, называемой выращиванием кристаллов с подачей из пленки по краям, таким образом формируются сапфировые окна для сканеров штрих-кода в кассах продуктового магазина. В настоящее время кристаллы даже выращиваются с помощью масштабируемой вертикальной техники Бриджмена-Стокбаргера .

Трудно переоценить, насколько эта ситуация отличается от ситуации с другими широкозонными полупроводниками. Для всех появляющихся полупроводников с широкой запрещенной зоной, за исключением карбида кремния (SiC), просто нет субстратов полупроводника значительного размера, на которых можно было бы вырастить большой кристалл. Это означает, что вместо этого они должны быть выращены на дисках из другого материала, а за это приходится платить. Например, нитрид галлия обычно выращивают в сложном процессе на подложке из кремния, карбида кремния или сапфира. Но кристаллическая структура этих подложек явно не такая, как у GaN, и это различие создает «несоответствие решеток» между подложкой и GaN, что приводит к большому количеству дефектов. Эти дефекты создают массу проблем для производимых устройств. Поскольку Ga 2 O 3действует как собственная подложка, нет несоответствий, а значит, и дефектов. Компания Novel Crystal Technology в Сайтаме, Япония, уже продемонстрировала 150-миллиметровые пластины β-Ga 2 O 3 .

Масатака Хигасиваки из Национального института информации, связи и технологий (NICT) в Токио был первым, кто осознал потенциал β-Ga 2 O 3 в переключателях питания. В 2012 году он удивил все сообщество полупроводниковых устройств, когда его команда сообщила о первом в истории монокристаллическом транзисторе β-Ga 2 O 3.. Это было что-то вроде устройства, известного как металлический полупроводниковый полевой транзистор. Насколько это было хорошо? Что ж, одним из ключевых показателей силового транзистора является напряжение пробоя, точка, в которой способность полупроводника блокировать прохождение тока ослабевает. Первый транзистор Хигасиваки имел напряжение пробоя более 250 В. Для сравнения, GaN прошел почти два десятилетия разработки.

В своей основополагающей работе Хигашиваки изложил аргументы в пользу резкого снижения потерь мощности в результате использования материала с высокой критической напряженностью электрического поля. Эта характеристика, обозначаемая E c , является настоящей сверхмощностью оксида галлия. Проще говоря, если у вас есть материал между двумя проводниками и вы увеличиваете напряжение, E c - это электрическое поле, при котором материал начинает проводить - много - иногда с катастрофическими результатами. Критическая напряженность поля кремния обычно измеряется в сотнях киловольт на сантиметр, но Ga 2 O 3 составляет 8 мега вольт на сантиметр.

Изображение транзистора из оксида галлия при двух увеличениях. 
Изображения: Исследовательская лаборатория ВВС
Герой высокого напряжения: этот транзистор из оксида галлия, показанный при двух увеличениях сверху (a и b) и в поперечном сечении (c), выдавал более 200 вольт всего за 600 нанометров.
Если вы рассматриваете идеальный транзистор для переключения мощности, наличие действительно высокого E c имеет решающие последствия. В идеале устройство должно мгновенно переключаться между двумя состояниями: полностью включено, когда оно проводит без сопротивления, и полностью выключено, когда оно вообще не проводит. Эти две невозможные крайности подразумевают две очень разные геометрии устройства. В выключенном состоянии вам понадобится толстая область материала между истоком и стоком транзистора, чтобы предотвратить проводимость и заблокировать большое напряжение. Для включенного состояния вам нужна бесконечно тонкая область, чтобы у нее не было сопротивления.

Конечно, вы не можете иметь и то, и другое. Именно критическая напряженность электрического поля материала определяет, насколько тонкой может быть эта область на самом деле, но при этом не будет.

Ключевым показателем полупроводника для низкочастотных переключателей мощности является показатель качества Балиги, названный в честь обладателя Почетной медали IEEE Б. Джаянта Балиги . По сути, это показывает, насколько хорошо выходной сигнал устройства при высоком напряжении воспроизводит детали входного сигнала. Это очень важная характеристика для транзисторов, работающих как переключатели на частотах до килогерцового диапазона. Такие устройства используются в оборудовании подстанций мультикиловольтного класса, генераторах фотонов высокой энергии для медицинской визуализации и силовых инверторах для электромобилей и промышленных приводов двигателей.

Для всего этого и многого другого Ga 2 O 3 должен иметь естественное преимущество. На этих частотах добротность пропорциональна кубу критического электрического поля. Столь высокий E c означает очень хорошие заслуги. За математикой стоит тот факт, что такой переключатель тратит большую часть своего времени либо полностью включенным, либо полностью выключенным, и мало времени на переключение между ними. Таким образом, большая часть потерь мощности связана с сопротивлением току, когда устройство включено. При высоком E c вы можете использовать более тонкое устройство, что означает меньшее сопротивление.

Идея работы Хигасиваки была проста: вы можете использовать грубую силу высокого электрического поля для получения высоковольтных переключателей, которые теряют небольшую мощность на низких частотах. Другие группы быстро поняли это сообщение. К 2013 году исследователи показали , металл-оксид-полупроводник полевые транзисторы ( полевые МОП - транзисторы) с напряжением пробоя 370 V . В 2016 году Ман Хой Вонг , работавший тогда в группе Хигашиваки в NICT, увеличил это значение до 750 В с помощью дополнительной структуры, называемой полевой гальваникой. Относительная легкость, с которой Ga 2 O 3 достиг высокого рабочего напряжения в этих устройствах, действительно весьма примечательна; всего за несколько лет исследования материала достигли такого прогресса, на который потребовались десятилетия с GaN.

Но будет ли Ga 2 O 3 полезен в энергетических приложениях с более быстрым переключением? E c здесь тоже важен, потенциально давая Ga 2 O 3 большое преимущество. На более высоких частотах, скажем, от 100 килогерц до 1 мегагерца, устройство тратит пропорционально больше времени на переключение, чем на включение или выключение. Потери во время переключения являются продуктом как сопротивления устройства, так и того, сколько заряда необходимо накопить на затворе транзистора, чтобы переключиться. Подсчитывая, это означает, что потери пропорциональны квадрату критической напряженности электрического поля, а не кубу, как для низкой частоты.

Изображение небольшой части одного из первых высокочастотных транзисторов на основе оксида галлия.
Изображение: Исследовательская лаборатория ВВС
Радиочастотный потенциал: только небольшая часть [присущая] этому раннему высокочастотному транзистору на основе оксида галлия важна для его работы. Уменьшение паразитного сопротивления в устройстве может повысить мощность и частоту.
Вы можете найти преимущества более быстрого переключения источников питания в таких простых вещах, как зарядное устройство для телефона. Импульсные источники питания сначала выпрямляют переменное напряжение из сетевой розетки, а затем прерывают его в высокочастотный сигнал. Трансформатор понижает напряжение до желаемого уровня, и, наконец, сигнал выпрямляется и фильтруется. Самой громоздкой частью этой системы являются трансформатор и другие пассивные компоненты, и вы можете использовать меньшие по размеру, только если увеличите частоту. А если вам нужна более высокая частота, полупроводник с более широкой запрещенной зоной и более высоким критическим электрическим полем позволит вам получить его гораздо более эффективно, а также упростит отвод тепла.

Например, кремниевый инвертор на 1200 В, коммутируемый на частоте 20 кГц, может выдавать около 3 киловатт. Однако при переключении на частоте 150 кГц инвертор из карбида кремния, обеспечивающий ту же мощность, может работать при более высоких температурах в корпусе, который составляет одну треть размера. Сравнимый инвертор на основе Ga 2 O 3 мог бы приблизиться к мегагерцовому режиму и быть вдвое меньше (хотя для этого потребовались бы еще не изобретенные магнитные компоненты).

Короче говоря, настоящие электронные характеристики такого материала, как Ga 2 O 3, основываются на использовании всей критической напряженности электрического поля. Но какова была эта стоимость? До 2015 года ни одна группа не называла реальных цифр достижимой напряженности поля материала. И, как и в случае с любым другим устройством, предварительные результаты далеки от теоретического предела.

Мои коллеги и я взяли на себя эту задачу, работая в исследовательской лаборатории ВВС на базе ВВС Райт Паттерсон в Огайо. Первая проблема, с которой мы столкнулись, заключалась в том, что любое устройство, изготовленное из материала с такой высокой напряженностью поля, потенциально может превзойти ограничения доступного испытательного оборудования. В принципе, 2 микрометра материала могут заблокировать более 1,5 кВ! Итак, мы построили простой полевой МОП-транзистор с уменьшенной геометрией для более низкого напряжения; зазор между затвором и стоком, где электрическое поле будет самым высоким, составлял всего 600 нанометров. Частично это было сделано для того, чтобы упростить измерение пика E c , но также потому, что мы хотели иметь возможность тестировать устройство на радиочастотах, чего не позволяла бы большая высоковольтная конструкция.

В этой ранней демонстрации транзистор был способен выдерживать напряжение 230 В, что было пределом испытательного оборудования RF. Результирующее среднее электрическое поле составляло не менее 3,8 мегавольт на сантиметр , а моделирование показало, что максимальное внутреннее электрическое поле составляет не менее 5,3 МВ / см. (Мы никогда не собирались наблюдать полные 8 МВ / см в полевом транзисторе.) Это был первый случай, когда экспериментально было показано, что Ga 2 O 3 имеет более высокий E C, чем теоретическое значение для GaN, которое составляет около 3,3 МВ. /см. Для сравнения: аналогичный силовой транзистор на основе GaN, рассчитанный на работу с напряжением 600 В, обычно имеет зазор между затвором и стоком примерно от 15 до 20 мкм по сравнению с нашим 600 нм.

После этого, развитие транзисторов, переключающих мощность, шло стремительными темпами. В 2017 году, мы сделали МОП - транзисторы с Большим напряжением пробоя , чем 600 V . В начале 2018 года полевые МОП-транзисторы с другой геометрией достигли значений высокочастотных потерь, которые соответствовали теоретическим пределам кремния или превышали их . Более того, теперь у нас есть четкий путь к тому, чтобы соответствовать или превзойти самые современные значения GaN в ближайшие пару лет.

Изображение широкозонного полупроводника.
Фотография: Novel Crystal Technology
Легкая пластина: в отличие от многих полупроводников с широкой запрещенной зоной, пластины оксида галлия можно изготавливать с использованием примерно того же процесса, который используется для кремниевых пластин. Это означает, что бездефектные устройства могут быть относительно дешевыми.
В то время как в 2015 году мы измеряли E c для силовых переключателей, мы также предполагали, что Ga 2 O 3 может найти аналогичный успех в радиочастотных схемах, опять же, если допустить более высокие электрические поля в небольших устройствах. Но в то время отсутствовала часть важной информации: не было опубликованных данных о скорости электронов в материале как функции электрического поля.

Скорость электронов особенно важна в транзисторах, используемых для усиления радиочастотных сигналов. В RF целью являются высокая выходная мощность и высокая частота, и они суммированы в добротности Джонсона (JFOM) . JFOM утверждает, что произведение мощности и частоты для ВЧ-транзистора масштабируется прямо пропорционально произведению максимальной скорости носителей заряда в полупроводниковом материале и E c . Ключевым моментом здесь является то, что в ВЧ-транзисторе вы получаете усиление только в том случае, если носители заряда могут пройти весь путь от истока до стока до того, как полярность ВЧ-сигнала изменится. (Самая высокая частота, на которой это происходит, называется частотой единичного усиления тока, или f T. ) Здесь снова Ga 2 O 3В игру вступает высокое критическое электрическое поле, потому что вы можете сократить это критическое расстояние, но при этом обеспечить сильное электрическое поле для ускорения электронов до их максимальной скорости.

На AFRL в 2017 году нам удалось продемонстрировать первые высокочастотные полевые МОП-транзисторы на основе Ga 2 O 3 субмикронного размера . Эти устройства сразу же показали довольно впечатляющие цифры, хотя они не совсем соответствовали лиге GaN. Они имели единичную частоту усиления по току 3 гигагерца и максимальную частоту генерации 13 ГГц с удельной выходной мощностью 230 милливатт на миллиметр на частоте 800 МГц. С тех пор AFRL показал плотность импульсной выходной мощности РЧ, превышающую 500 мВт / мм на частоте 1 ГГц с максимальной частотой колебаний, приближающейся к 20 ГГц. Что еще более обнадеживает, примерно в то же время Кришненду Гош и Уттам Сингисеттив Университете Буффало опубликовали теоретические расчеты, предполагающие, что добротность Джонсона для Ga 2 O 3 значительно лучше, чем для GaN .

После той первой демонстрации возможностей RF в 2017 году наиболее заметные успехи в технологии RF Ga 2 O 3 произошли, когда Шрирам Кришнамурти , а затем группа Сиддхарта Раджана в Университете штата Огайо , продемонстрировали новые и улучшенные методы допинга . Заимствованные из кремния, эти методы производили полупроводники с очень низким сопротивлением в листе материала, в котором происходит проводимость, около 300 Ом на квадрат. (Да, это правильная единица .) Это сопоставимо с тем, что вы найдете в устройстве из нитрида галлия. Вскоре после этого результата Раджан и исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, независимо продемонстрировал Ga 2 O 3 аналог транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT) .

Этот тип устройства, обычно изготавливаемый из арсенида галлия или нитрида галлия, является основой радиочастотного излучения, критически важной как для вашего мобильного телефона, так и для приемника спутникового телевидения. Вместо легированного канала объемного полупроводника такие устройства проходят через двумерный электронный газ, который образуется на резкой границе раздела между двумя полупроводниками с разными запрещенными зонами. В данном случае это оксид алюминия, галлия и оксид галлия, которые в точности аналогичны коммерческой технологии HEMT на основе арсенида алюминия и арсенида галлия, которая используется в смартфонах. Эти важные достижения открывают путь к вертикальному и горизонтальному масштабированию для ВЧ-устройств.

Какими бы многообещающими ни были эти разработки, Ga 2 O 3 вряд ли бросит вызов арсениду галлия (GaAs) или GaN во всех радиочастотных приложениях. Как принципиально хороший переключатель, мы ожидаем, что он будет иметь преимущество в усилителях с переключаемым режимом, таких как классы D, E или F. В них устройство работает с очень низким сопротивлением во включенном состоянии и использует слабые токи и сильные пробои. -вольтные характеристики для достижения очень высокого КПД. С другой стороны, устройства, требующие более низкого импеданса и высокого тока, будут отдавать предпочтение GaN, в основном потому, что его подвижность носителей заряда и плотность носителей заряда выше.

Так что же не так с Ga 2 O 3 ? Ахиллесова пята этого материала - его теплопроводность. Это плохо. Действительно плохо. Фактически, это буквально худший из всех рассматриваемых полупроводников для ВЧ-усиления или переключения мощности. Теплопроводность оксида галлия составляет всего одну шестидесятую теплопроводности алмаза, одну десятую SiC (подложку для высокоэффективного RF GaN) и примерно одну пятую теплопроводности кремния. (Интересно, что это сравнимо с этим ВЧ-компонентом, GaAs.) Низкая теплопроводность означает, что тепло, выделяемое в транзисторе, скорее всего, останется там, что может резко ограничить срок службы устройства.

Теперь, прежде чем вы с отвращением разводите руками, подумайте вот о чем: чтобы получить реальное сравнение теплопроводности материала, которое влияет на устройства, по принципу «яблоки к яблокам», вам необходимо нормализовать ее до способности материала выдерживать мощность. Другими словами, вам нужно разделить на E C, чтобы точно сравнить тепловые проблемы, которые вы ожидаете в реальном устройстве. Когда вы это сделаете, вы обнаружите, что каждый полупроводник с шириной запрещенной зоны больше, чем у кремния, имеет тепловую проблему, когда вы используете его на полную мощность - даже алмаз. Хотя этот факт по-прежнему не дает Ga 2 O 3 много преимуществ, он побуждает нас искать более эффективные способы рассеивания тепла.

Например, исследователи из токийской лаборатории NICT значительно улучшили термическое сопротивление устройства, прикрепив поликристаллический SiC p- типа к задней стороне пластины Ga 2 O 3, которая была утончена примерно до 10 мкм. И, отметив, что для определенных топологий устройств практически все тепло генерируется в верхней части материала толщиной 1 мкм, исследователи AFRL получили многообещающие результаты, моделируя эффекты контакта с электродами и используя диэлектрический наполнитель для отвода тепла к радиатору . Этот трюк используется сегодня в коммерческих биполярных транзисторах с гетеропереходом на основе арсенида галлия . Таким образом, в то время как тепловая проблема в Ga 2 O 3 требует уважения, это то, что не может преодолеть какая-то умная инженерия.

Более фундаментальная проблема заключается в том, что мы можем заставить проводить электроны только оксид галлия, а не дырки. Еще никому не удавалось сделать хороший проводник p- типа из Ga 2 O 3 . И, что удручающе, основные электронные характеристики материала не оставляют особых надежд. В частности, часть валентной зоны зонной структуры материала не имеет правильной формы для дырочной проводимости. Таким образом, даже если есть легирующая добавка, которая приводит к появлению акцепторов на нужных уровнях энергии, ожидается, что любая образовавшаяся дырка захватит себя, прежде чем сможет внести свой вклад в проводимость. Трудно спорить, есть ли способ обойти этот недостаток, когда теория и данные находятся в таком согласии.

Хотя эта слабость создает дополнительные проблемы, она не является препятствием. Множество так называемых устройств, предназначенных только для большинства операторов связи, добились коммерческого успеха. Достаточно взглянуть для примера на количество зарядных устройств USB-C.

Стадия исследований технологии Ga 2 O 3- устройств только начинает достигать критической массы, и сейчас мы планируем область применения быстрых переключателей, силовых транзисторов мультикиловольтного класса и ВЧ-устройств. Новые демонстрации устройств киловольтного класса стали обычным явлением. Скоро появятся ВЧ-транзисторы с критическими размерами в десятки нанометров . Я полностью ожидаю, что, продвигая эту технологию, мы сможем реализовать топологии устройств, которые ранее были недостижимы для любого другого материала.

Конечно, по пути мы сломаем кое-что (в основном диэлектрики). Но это определение подрывной технологии. Мы торгуем тем, что знаем, ради потенциальной производительности. В настоящее время для Ga 2 O 3 потенциал производительности значительно перевешивает проблемы.