InAlGaO之光器件的可能

編者推測，AlGaO氧化鎵薄膜/晶體的超寬帶隙為InGaO銦鎵氧新型雷射模型奠定良好的能量輸送機制通道。由中國香港城市大學（CityU）領導的一項聯合研究建立了一個超低功耗的人工視覺系統來模擬人腦，成功地執行了數據密集型認知任務。他們的實驗結果為下一代人工智慧應用提供了一個有前途的設備系統。相關工作發表在《Science Advances》上。

圖1，基於聚醯亞胺基底的柔性準2DEG光子突觸裝置的照片

人工智慧技術的快速發展點燃了對通過類似大腦的視覺系統準確感知和理解來自外部環境的光信號的新興需求，但現有的人工突觸中以超低功率的方式有效模擬大腦的神經可塑性仍然具有挑戰性。隨著半導體技術在數字計算中的應用出現停滯跡象，神經形態（類大腦）計算系統被認為是未來的替代方案之一。科學家們一直在努力開發下一代先進的人工智慧計算機，這種計算機可以像人腦一樣輕便、節能、適應性強。然而，「不幸的是，在現有的人工突觸中，通過超低功耗的方式有效地模擬大腦的神經可塑性——改變其神經網絡連接或重新連接自身的能力——仍然是一個挑戰，」Ho教授說。人工突觸是突觸的一種人工形式，是兩個神經元通過電信號在大腦中相互交流的縫隙。它是一種模擬大腦高效神經信號傳輸和記憶形成過程的裝置。為了提高人工突觸的能量效率，Ho教授的研究小組首次將準二維電子氣（quasi-2DEGs）引入人工神經形態系統，建立了一個模擬人腦的人工視覺系統。這種光子突觸基於InGaO3(ZnO)3納米線（NW）表面上的氧吸附-解吸動力學和超晶格核心中的強載流子量子限制效應的共存，以類似於生物突觸中的Ca2+離子通量和神經遞質釋放動力學。他們首先介紹了超晶格NWs的結構和電學特性，突出了其導帶偏移效應、相應的載流子量子限制及高載流子遷移率。基於這些特性，他們構建了基於InGaO3(ZnO)3超晶格NW陣列的光子突觸並介紹了其工作機理。為了證明其對於柔性神經形態系統的可能實現，研究人員將整個器件製造過程轉移到聚醯亞胺襯底上，並闡述了其類腦功能。通過利用他們開發的氧化物超晶格納米線設計出準2DEG光子突觸裝置，這種裝置的每一個突觸事件的能量消耗達到了創紀錄的低至亞毫焦耳（0.7fJ）。這意味著與人腦中的突觸相比，能量消耗減少了93%。最後，基於這些類腦功能，研究人員搭建了準2DEG人工視覺系統，並通過實驗展示了其成像、數據處理和記憶能力。Ho 教授解釋說，當電子被限制在兩種不同材料之間的二維界面時，就會產生二維電子氣。由於沒有電子-電子相互作用和電子-離子相互作用，因此電子在界面中自由移動。在光脈衝作用下，納米線表面吸附的氧分子與氧化物超晶格納米線內部二維電子氣中的自由電子發生了一系列反應。因此，光子突觸的電導會發生變化。鑑於超晶格納米線具有出色的電荷載流子遷移率和對光刺激的敏感性，光子突觸中電導變化類似於生物突觸中的電導。因此，準2DEG光子突觸可以模擬人腦中的神經元如何傳輸和記憶信號。「超晶格納米線材料的特殊性能使我們的突觸同時具有光電檢測和記憶功能。簡單地說，納米線超晶格核可以以高靈敏度的方式檢測光刺激，納米線殼層促進了記憶功能，因此，我們的設備可以節省能源。」 Ho教授解釋說。他補充說，該團隊合成光子突觸和人工視覺系統的方式不需要複雜的設備。而且這些設備可以以可擴展且低成本的方式在柔性塑料上製成。這項研究工作有可能與從可穿戴人工智慧系統到個性化醫療保健的其他研究領域融合在一起，並為在仿生器件、電子眼、多功能機器人等領域應用準2DEG構建人工神經形態系統提供了一種有前景的器件方案以及為下一代人工智慧（AI）應用提供有希望的設備系統。

信息來源：Nature Photonics

AlGa2O3之基

1月8日的科學進展（ScienceAdvances）期刊發布了康奈爾大學的一項合作發現，利用藍寶石生長氧化鎵，生成α-鋁鎵氧化物超寬禁帶半導體，其帶隙擴展到幾乎是矽的8倍。

在藍寶石襯底上生長的α-鋁-鎵氧化物的示意圖

這篇論文是美國空軍研究實驗室康奈爾外延解決方案中心（ACCESS）實驗室的最新發現，該實驗室於2018年啟動，旨在探索氧化鎵在下一代電子產品中的潛在用途。

氧化鎵家族各不相同，它們共享相同的原子，但有著稍微不同的結構，產生了完全不同的電子和光學性質。到目前為止，科學家們更喜歡β相，因為它是這種物質最穩定的形式。但由於其更寬的帶隙，最具誘人前景的相是α-氧化鎵及其與α-氧化鋁的組合。α相氧化鎵的主要缺點是它不如β相氧化鎵穩定，這是科研人員需要克服的方向。

研究人員使用分子束外延技術（非正式地稱為「原子噴塗」）來製造單層薄膜。然後，利用掃描透射電子顯微鏡研究了原子的排列方式，並檢測出可能是由於晶格排列不整齊造成的缺陷。這些缺陷往往賦予材料獨特的特性，但它們會破壞電子或光子器件的性能。問題就在於不同相的摻雜。

研究小組最終確定了藍寶石右刻面的正確對稱性，稱為m面，這形成了穩定的α-氧化鎵薄膜。他們慢慢地用鋁取代了一些鎵原子，以進一步擴大其帶隙。傳統的氧化鎵具有3到4.7ev（電子伏特）的帶隙；每一個電子伏特都代表著性能的巨大飛躍。β-氧化鎵達到4.8ev。新的α-鋁鎵氧化物的帶隙從5.4ev開始，隨著更多的鋁被交換進來，它的帶隙擴展到8.6ev，幾乎是矽帶隙的8倍。

α-鋁鎵氧化物不僅足夠堅固，能夠在高速和高溫下處理大量能量，而且重量輕、結構緊湊，這些特性使其成為航空技術以及其他高功率電子產品的關鍵部件。這種材料的效率也非常高，可以減少太陽能轉換和傳輸過程中的能量損失。研究人員表示，「同時，這也迫使我們重新思考那些我們一直認為是絕緣體的材料，比如藍寶石。我們真的可以像對待氮化矽和氮化鎵那樣，通過摻雜來改變它們的性質，從而控制它們的能隙和電子性質，從而更更好利用它嗎？」

來源：粉體圈

Ga2O3之路

氧化鎵（Ga2O3）是一種新興的超寬帶隙（UWBG）半導體，擁有4.8eV的超大帶隙。作為對比，SiC和GaN的帶隙為3.3eV，而矽則僅有1.1eV，那就讓這種新材料擁有更高的熱穩定性、更高的電壓、再加上其能被廣泛採用的天然襯底，讓開發者可以輕易基於此開發出小型化，高效的大功率電晶體。這也是為什麼在以SiC和GaN為代表的寬帶隙（WBG）半導體器件方面取得了巨大進步的時候，Ga2O3仍然吸引了開發者的廣泛興趣。

從器件的角度來看，Ga2O3的Baliga品質因子要比SiC高出二十倍。對於各種應用來說，陶瓷氧化物的帶隙約為5eV，遠遠高於SiC和GaN的帶隙，後兩者都不到到3.5eV。因此，這種陶瓷氧化物器件可以承受比SiC或GaN器件更高的工作電壓，導通電阻也更低。

再從另一個角度看，易於製造的天然襯底，載流子濃度的控制以及固有的熱穩定性也推動了Ga2O3器件的發展。相關論文表示，用Si或Sn對Ga2O3進行N型摻雜時，可以實現良好的可控性。儘管某些UWBG半導體（例如AlN，c-BN和金剛石）在BFOM圖表中擊敗了Ga2O3，但它們的廣泛使用受到了嚴格的限制。換而言之，AlN，c-BN和金剛石仍然缺乏高質量外延生長的合適襯底。

 

相關報導指出，Ga2O3具有五個不同的相態，其中，α相具有與Al2O3或藍寶石相同的剛玉型晶體結構，這為研究者們在藍寶石襯底上實現無應力Ga2O3層的沉積的提供了研發思路。

相關統計數據顯示，從數據上看，氧化鎵的損耗理論上是矽的1/3,000、碳化矽的1/6、氮化鎵的1/3。這就讓產業界人士對其未來有很高的期待。而成本更是讓其成為一個吸引產業關注的另一個重要因素。

按步驟劃分的Ga2O3襯底製造成本

2012年，Ga2O3的結晶形態確認有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β結構最穩定，當時，與Ga2O3的結晶生長及物性相關的研究報告大部分都使用β結構。

例如，單結晶構造的β-Ga2O3由於具有較寬的禁帶，使其擊穿電場強度很大，具體如下圖所示。β-Ga2O3的擊穿電場強度約為8MV/cm，是Si的20多倍，相當於SiC及GaN的2倍以上。

由圖可以看出，β-Ga2O3的主要優勢在于禁帶寬度，但也存在著不足，主要表現在遷移率和導熱率低，特別是導熱性能是其主要短板。不過，相對來說，這些缺點對功率器件的特性不會有太大的影響，這是因為功率器件的性能主要取決於擊穿電場強度。就β-Ga2O3而言，作為低損失性指標的「巴利加優值(Baliga’s figure of merit)」與擊穿電場強度的3次方成正比、與遷移率的1次方成正比。因此，巴利加優值較大，是SiC的10倍、GaN的4倍。

由於β-Ga2O3的巴利加優值較高，因此，在製造相同耐壓的單極功率器件時，元件的導通電阻比採用SiC或GaN的低很多。降低導通電阻有利於減少電源電路在導通時的電力損耗。使用β-Ga2O3的功率器件，不僅能減少導通時的電力損耗，還可降低開關時的損耗，因為在耐壓1kV以上的高耐壓應用方面，可以使用單極元件。

研究進展

高質量β-Ga2O3晶體

一直以來，中國在β-Ga2O3晶體材料和器件方面的研究相對落後，尤其是功率器件的研究很少，關鍵原因是受限於大尺寸、高質量β-Ga2O3晶體的獲得。

2017年8月，我國同濟大學物理科學與工程學院唐慧麗副教授、徐軍教授團隊採用自主智慧財產權的導模法技術，成功製備出2英寸高質量β-Ga2O3單晶。獲得的高質量β-Ga2O3單晶，X射線雙晶搖擺曲線半高寬27″，位錯密度3.2×104cm-2，表面粗糙度

α-Ga2O3

2018年初，電裝與FLOSFIA公司決定共同開發面向車載應用的新一代氧化鎵功率半導體材料——α-Ga2O3。

α-Ga2O3是京都大學藤田靜雄教授全球首次開發成功的單結晶合成材料，可用於電動車的轉換器，能實現低功耗、低成本、小型輕量化。

FLOSFIA是於2011年由京都大學發起成立的一家合資公司。致力於α-Ga2O3功率半導體研發。2015年發表了世界最小的導通電阻0.1mΩcm2 SBD(Schottky Barrier Diode)試製數據，2016年成功研製了新型P型半導體α-Ir2O3。

氧化鎵MOSFET

2020年早些時候，布法羅大學(UB)工程與應用科學學院電氣工程副教授Uttam Singisetti博士和他的學生製造了一個厚度為5微米、由氧化鎵製成的MOSFET。

研究人員表示，該電晶體的擊穿電壓為1,850 V，比氧化鎵半導體的記錄增加了一倍多。擊穿電壓是將材料(在這種情況下為氧化鎵)從絕緣體轉換為導體所需的電量。擊穿電壓越高，器件可以處理的功率越高。

Singisetti表示，由於電晶體的尺寸相對較大，因此不適合智慧型手機和其他小型設備。但它可能有助於調節大規模運營中的能量流，例如收穫太陽能和風能的發電廠，以及電動汽車、火車和飛機等。

但是，該研究還需要深入下去，以解決其導熱性差的缺點。

縱向Ga2O3功率器件

近期，日本情報通信研究機構(NICT)與東京農工大學(TUAT)演示了一種「縱向的」氧化鎵MOSFET，它採用「全離子注入( all-ion-implanted )」工藝進行N型與P型摻雜，為低成本、高可製造性的Ga2O3 功率電子器件鋪路。

過去幾年來，Ga2O3 電晶體的開發集中於研究橫向幾何結構。然而，由於器件面積較大、發熱帶來的可靠性問題、表面不穩定性，橫向器件不容易經受住許多應用所需的高電流與高電壓的考驗。

相比而言，縱向幾何結構能以更高的電流驅動，不必增加晶片尺寸，從而簡化了熱管理。縱向電晶體開關的特性，是通過向半導體中引入兩種雜質(摻雜劑)來設計的。開關「打開」時，N型摻雜，提供移動的載流子(電子)，用於攜帶電流;開關「關閉」時，P型摻雜，會啟動電壓阻斷。

Masataka Higashiwaki 領導的 NICT 科研小組率先在 Ga2O3 器件中使用矽作為N型摻雜劑，但是科學界長期以來一直在為找到一種合適的P型摻雜劑而努力。今年早些時候，同一科研小組，公布了用氮(N)作為P型摻雜劑的可行性。他們最新的成果包括首次通過高能量摻雜劑引入工藝，即所謂的「離子注入」，整合矽與氮摻雜，設計出一個 Ga2O3 電晶體。

據悉，縱向功率器件可以實現超過100A的電流和超過1kV的電壓，這樣的結合是許多應用所要求的，特別是電力工業和汽車電力系統所需要的。

熱管理方法研究

近期，美國佛羅裡達大學、美國海軍研究實驗室和韓國大學的研究人員也在研究氧化鎵MOSFET。佛羅裡達大學材料科學與工程教授Stephen Pearton表示，它們正在研究氧化鎵作為MOSFET的發展潛力。傳統上，這些微型電子開關由矽製成，用於筆記本電腦、智慧型手機和其他電子產品。對於像電動汽車充電站這樣的系統，我們需要能夠在比矽基器件更高的功率水平下工作的MOSFET，而氧化鎵可能就是解決方案。為了實現這些先進的MOSFET，該團隊確定了需要改進柵極電介質，以及更有效地從器件中釋放熱量的熱管理方法。

結語

氧化鎵是一種新興的功率半導體材料，其禁帶寬度大於矽，氮化鎵和碳化矽，在高功率應用領域的應用優勢愈加明顯。但氧化鎵不會取代SiC和GaN，後兩者是矽之後的下一代主要半導體材料。

氧化鎵更有可能在擴展超寬禁帶系統可用的功率和電壓範圍方面發揮作用。而最有希望的應用可能是電力調節和配電系統中的高壓整流器，如電動汽車和光伏太陽能系統。

摘編轉自：半導體行業觀察

氧化鎵也將是新型雷射器件的萌生之地。In部分替Al型AlGaO的強載流子的光輸送和激發可能。