超寬帶隙(UWBG)半導體相比si和寬帶隙材料如SiC和GaN具有更優越的固有材料特性。在不同的UWBG材料中，氧化鎵正逐漸展現出其在高壓電力電子領域的未來應用潛力。本文總結了氧化鎵材料的一些固有特性，并展示了近期在高壓器件方面的一些進展。

氧化鎵的固有材料特性

氧化鎵的β相(β-Ga2O3)已成為評估UWBG材料選擇的關鍵候選。多個因素促成了這一點。表1列出了硅、碳化硅、氮化鎵和β-Ga2O3的一些基本材料特性。

β-Ga2O3的高帶隙和電場強度是其兩大優勢。這使得在高壓電力器件中能更有效地進行器件縮放，并能同時改善導通和開關損耗的指標。

表1中所示的理想Baliga優值(BFOM)通常用于描述導通態電阻損耗與擊穿場之間的權衡。然而，這并未包括兩個重要因素：

摻雜劑的不完全電離；襯底中的背景雜質

淺摻雜劑的可獲得性是接近理論BFOM極限實現性能的關鍵。然而，UWBG材料可能缺乏此類摻雜劑。以氮化鋁(AlN)和鉆石為例，高摻雜劑電離能使得在室溫下有效實現高水平的激活摻雜劑變得困難，導致電導率低。幸運的是，β-Ga2O3擁有淺的n型施主摻雜劑(錫、硅)。

帶隙內的雜質態可以進一步補償摻雜劑密度并降低器件性能，與硅相比，UWBG材料中的雜質水平可以高出幾個數量級。AlN和鉆石都受到此影響，背景濃度可達1e16/cm3范圍。在寬帶隙材料中，氮化鎵的背景濃度也相對較差，超過1e15/cm3。β-Ga2O3在此方面再次具有優勢，通過外延和襯底生長的進展，背景電荷濃度低于1e15/cm3。

低背景摻雜和高帶隙的重要性的一個好例子是額定6.5 kV的硅IGBT，需要最小阻斷電壓厚度為220 μm，背景雜質低于4e13/cm3，這難以實現，并且無論如何都會導致非常高的RDS(on)，而β-Ga2O3只需要8 μm厚的阻斷層，凈摻雜濃度為3e16/cm3。

考慮上述效應的修正BFOM比較如圖1所示。這些圖顯示了β-Ga2O3在高于1 kV電壓額定值時相對于其他材料的優勢。

襯底生長

通過熔融生長，可以以相對較低的成本制造高質量的β-Ga2O3襯底，類似于硅。這是與碳化硅等寬帶隙材料相比的關鍵優勢，后者需要使用昂貴的升華方法。例如，日本Novel Crystal Technology公司正在生產100 mm的β-Ga2O3襯底。

β-Ga2O3高壓器件

現在讓我們看看Singisetti團隊和其他人在創建β-Ga2O3高壓電力器件方面所做的一些工作。已經使用了幾種原子層沉積(ALD)電介質作為柵極電介質來創建橫向n溝道MOSFET器件。二氧化硅(SiO2)是一個有前途的候選，具有大的導帶偏移和室溫下的低界面態。

最初創建的MOSFET在溝道區域外顯示出擊穿。故障分析指向柵極場板(GFP)區域上方的空氣中高場。使用復合場板電介質(包括PECVD和ALD SiO2)，凹陷的MBE生長溝道和GFP上方的高場強度環氧聚合物(SU-8)鈍化膜，導致在橫向MOSFET中報告的最高擊穿電壓(BV)超過8 kV。

這項工作表明，場管理技術至關重要。該器件的橫截面示意圖和BV曲線如圖2所示。

這些器件仍然受到相對較差的RDS(on)的困擾。發現真空退火后RIE蝕刻產生的損傷恢復并改善了RDS(on)，而不影響BV。

具有肖特基柵的MESFET器件顯示出潛力。使用氮化硅鈍化電介質，已經展示了4.4 kV的MOSFET，其功率FOM(PFOM = BV2 ÷ RDS(on))超過100 MV/cm2，特定RDS(on) ≈ 20 Ω-mm2。

雖然這個PFOM遠優于理論上可實現的硅數值，但仍遠低于β-Ga2O3的理論極限。使用改進的外延生長技術和FINFET MESFET結構已經展示了184 cm2/V-s的電子遷移率。這種4.4 kV的器件，使用25個1.2至1.5 μm的鰭寬，實現了0.95 GW/cm2的記錄PFOM。

高溫操作

如表1所示，β-Ga2O3的熱導率較差。這可能會在高功率應用中對冷卻要求造成負擔。然而，一些固有優勢幫助β-Ga2O3在高溫下表現良好。極低的本征載流子密度和其他因素的組合使得能夠實現低熱退化系數。與氮化鎵相比，其RDS(on)在125°C時可能是25°C時的兩倍以上，β-Ga2O3的RDS(on)隨溫度變化，變化不大。

SBD在600 K下運行，并在500 V下從300 K到500 K的反向泄漏電流增加了十倍，相比之下，垂直氮化鎵和碳化硅SBD在類似額定值下的增加至少是百倍。MESFET在測量到的500°C下運行。這些例子展示了β-Ga2O3器件在高溫高壓操作中的潛在用途。

還進行了改進封裝以降低熱阻的工作。使用雙面封裝的大面積(4.6 × 4.6 mm)β-Ga2O3垂直SBD器件，額定電流為15 A，在芯片兩側使用銀燒結。頂部陽極結至環境的熱阻測量為0.5 K/W，低于類似額定值的碳化硅SBD。這項和其他涉及將襯底厚度減至低于100 μm的工作強調，低熱導率不一定是高壓高功率應用的障礙。

使用異質結/超結創建雙極器件

由于缺乏淺受體和強自陷孔，β-Ga2O3的p摻雜困難。使用n摻雜β-Ga2O3與p摻雜鎳氧化物的異質結和超結器件已成功展示為二極管和MOSFET。這兩種材料之間成功創建了高質量界面，并實現了良好的器件性能，創造了p-n結的優勢，包括雪崩和浪涌能力，這在許多電力系統應用中是一個關鍵的魯棒性標準。