GaO|美國海軍研究實驗室氧化鎵研究紀實，突破了數個障礙，取得了三個破紀錄進展……

引子

如果必須從頭開始用一種新的材料來研發器件將非常困難。可能要先努力學習如何生長出足夠大的晶體，以便將其切成基礎襯底。還可能需要進行大量的研究以找出如何沉積外延層、製造器件、測試及完善工藝。所有這些都需要資金和一個具有適當專業知識的研究團隊來定義一個應用空間。鑑於所有這些挑戰，用新材料製造器件的進展遠不能立竿見影，一些團體只有在能夠借鑑其他團體的成功經驗時才會進入該領域，這並不奇怪。

奠定基礎

氧化鎵的情況當然也是如此。多年來，其優點已人盡所知--是一種帶隙非常寬的材料，應該可以製造出非常適合功率開關的器件--但只是在最近十年，一些小組才開始出現令人印象深刻的器件成果。

日本和德國的材料科學家為最近的所有進展奠定了基礎，他們開發了從熔體中生長氧化鎵晶體並在此基礎上沉積外延層的工藝。氧化鎵的第一個應用是作為GaN LED應用的透明導電氧化物基板。隨後日本的研究人員也取得了另一項重要突破。2012年，日本NICT的一個團隊發表的實驗結果顯示，用該材料β相製成的氧化鎵器件具有較高擊穿電壓。

美國空軍進展概述

空軍研究實驗室（AFRL）的一個團隊注意到了NICT的成功，並通過與一些材料供應商合作繼續打破記錄。他們將氧化鎵視為快速、低損耗功率開關的一個非常有前途的候選者，他們通過以下方式吸引了眾多關注：為氧化鎵FET的臨界場強設定了一個新基準；製造了第一個增強型氧化鎵MOSFET，它能在關斷態下提供高電壓操作；製造了第一個射頻增益和功率開關損耗低於矽的氧化鎵FET。

空軍早期研究

在早期，AFRL研究員Gregg Jessen領導的團隊從頭開始（ab-initio）用第一原理建模來探索新材料。結果顯示，速度和高臨界場強在快速功率開關和射頻功率應用中具有顛覆性的潛力。在這些結果的刺激下，Jessen建立了美國的氧化鎵研究基礎，並建立國際合作夥伴關係，獲得了首批器件樣品。

在Jessen工業任職後，Kelson Chabak接任了AFRL GaO器件研究的團隊負責人。Kelson Chabak說：「Gregg不僅激勵了我們的團隊，而且激勵了整個國家。」

AFRL製造的2英寸帶有GaN外延層的Synoptics氧化鎵電晶體

首個器件樣品

Chabak從除了NICT的MOSFET器件結果外的以下方面獲得靈感：可以從熔體中生產襯底；材料的β相有機會實現同種外延生長，從而獲得低缺陷密度的外延薄膜；器件製造簡單易行。當該團隊在2015年製造出第一個器件樣品時，Chabak想知道他和他的同事是否可以複製NICT的成功，並測量據稱的高臨界場強。

儘管他很好奇，但Chabak並不打算改變方向，即從研究GaN轉向氧化鎵。「當時我們對（氧化鎵）並沒有太大投入，事實上，如果我們對器件的早期評估失敗，我們就準備放棄它。」

獲取外圍材料支持

為了評估這種超寬帶隙材料的潛力，Chabak和他的同事依靠其國際合作夥伴實現外延結構。儘管他們可以使用AFRL的MBE工具，但該工具主要是為GaN的基礎研究而配置（Chabak和同事們在GaN領域擁有大量專業知識）。

最初選擇採用氧化鎵外延結構有其實際上好處，避免了採購昂貴的設備，並迅速獲得新材料的外延專業知識。團隊還能夠形成寶貴的國際材料合作關係，迅速推進氧化鎵器件的研究。

襯底來自唯一的商業供應商Tamura。這家公司與NICT密切合作，採用邊緣優化的薄膜生長工藝，生產的材料在某些方向上直徑可達4英寸。最常見的一種襯底尺寸最初是10毫米×15毫米。在去年Tamura也開始提供25毫米×25毫米的產品。根據Chabak的說法，尺寸越大質量越好，同時單位面積的價格可下降50%左右。

AFRL的團隊購買了這些襯底，並聯繫了Tamura的分拆公司Novel Crystal購買外延片。此外，AFRL還依靠另一個外延生長的來源，即德國萊布尼茨晶體生長研究所（IKZ）。

圖 AFRL的研究為氧化鎵器件的進步提供了多項重大貢獻

2015年，IKZ向AFRL團隊提供了第一批樣品。取得成功的同時也幫助IKZ成為AFRL的重要研究合作夥伴。這是一種合作共贏的關係，雙方積極開展合作研究。通過及時提供高質量的材料，IKZ在AFRL的成功中發揮了關鍵作用。Chabak表示：「我們之所以能夠成為該領域的領導者，是因為我們能夠儘早獲得材料。」

燎原之火

這一合作的第一個裡程碑是在2016年，當時AFRL器件團隊成員Andy Green製造並報告了一個由IKZ外延片製成的MOSFET。它在0.6μm的柵-漏漂區域內承載電壓達到230V，意味著平均臨界場強達到了3.8MV/cm，創造了新記錄。大多數橫向GaN器件的工作電壓為1 MV/cm。Chabak表示：「因此，在沒有太多優化的情況下，我們得到了大約四倍於GaN的臨界場強，這就是燎原之火。」

Green的破紀錄結果來自IKZ的MOCVD製造的外延片，該外延片在一個off-cut基底上生長，以優化adatoms的擴散長度。不過，要注意的是，Chabak和他的同事們在由Novel Crystal提供的MBE生長材料上也獲得了不錯的結果，所以他們還沒有決定哪種生長技術更適合氧化鎵同位素。「還沒有定論，我們已經在這兩種材料上做出了很好的器件，我們還在評估材料。」

躲避p型問題

2016年晚些時候，AFRL團隊報告了有史以來第一個在關斷狀態高電壓增強模式FET。這一突破性成果非常重要，因為它表明，儘管氧化鎵中缺乏p型載流子，但仍有可能製造出常閉型FET。常態關斷操作是非常有價值的，因為實現了一個自動防故障的器件，並且可以用單極性電源驅動。

這一成功的關鍵是利用柵極的工作函數來夾斷（pinch-off）非平面鰭形通道的陣列。Chabak說：「我們是第一個用氧化鎵實現這一點的團隊，也用GaN也做過非常類似的事情。」

請注意，對於Chabak和他的同事來說，試圖正面解決與氧化鎵中p型摻雜有關的問題是愚蠢的。空穴是自陷的，所以它們不能對載流子傳輸做出貢獻，而價帶的平坦性導致了非常嚴重的空穴質量。

位於AFRL的VeecoGenXcel氧化MBE工具，用於基礎氧化物材料和器件研究，其襯底尺寸最大為4英寸

雖然p-摻雜是非常具有挑戰性的，但在氧化鎵的非結合電子上產生豐度相對容易。有三種常見的摻雜劑：矽、錫和鍺。Chabak說：「這三種摻雜劑都可以工作，我們已經用它們製造了器件，」矽的優點包括最熟悉--被廣泛用於摻雜GaN和GaAs--以及容易在生長室中成功引入。為了實現高濃度，可以進行三角摻雜和接觸再生長，從而產生良好的結果。

植入是生產n型材料的另一種選擇。Chabak認為這是一種提供器件工程和橫向摻雜曲線的工具，並允許製造具有自對準觸點的電晶體--這些特性在GaN中很難實現。

與寬帶隙材料相比，在氧化鎵中激活載流子所需的溫度相當低--在某些情況下，只要850℃就足夠了。對這種摻雜技術的研究已經產生了一些有趣的結果，比如發現雜質會沿著植入的受損區域擴散。

比矽好的FET

Chabak的團隊宣稱他們在2018年取得了第三個破紀錄的成果，他們報告了第一個開關損耗低於矽的氧化鎵FET。Chabak透露：「有一些不同的設計技巧得到了實現」。修改包括部分移除通道以使其正常關閉，增加一個柵極連接的場板以降低峰值電場，並優化器件尺寸。通過縮短源到漏電距離來降低電阻，在不犧牲擊穿電壓的情況下實現了這一壯舉。

GaO的射頻特性

AFRL的工作還包括調查氧化鎵電晶體的射頻特性。Chabak警告說：「非常謹慎地說，在射頻器件方面，我們不認為氧化鎵會取代氮化鎵，氮化鎵器件將永遠是射頻功率之王。」然而，他認為，氧化鎵可能會成為一種互補技術，因為用這種材料製成的電晶體在配置在特定的工作類別中時，可能有潛力提供高效率，或提供更高的輸出功率。

該團隊研究了具有0.7μm柵長和柵極-回流的器件的射頻特性，該器件將溝道厚度從180nm減少到該值的一半左右。使用40V的漏極-源極電壓進行的小信號測量顯示，截止頻率和最大振蕩頻率分別為3GHz和13GHz。根據800MHz的CW大信號功率測量，在A類模式下驅動，輸出功率為0.23Wmm-1，功率附加效率為6.3%。

熱限制並不嚴重

嚴重的熱限制了這些射頻器件的性能。大多數由氧化鎵製成的功率器件也是如此，因為這兩類器件都會因這種材料的低熱導率而受損。一些批評者稱，這嚴重阻礙了這一類器件的進步，但Chabak不同意，他認為這並不是一個「障礙」。在與反對者討論這個問題時，他很快指出，作為主流射頻功率技術的GaAs的熱導率與氧化鎵的熱導率在一個數量級之內。

為了確保氧化鎵器件發揮其潛力，必須努力從器件的背面和頂部提取熱量，因為在這裡可以獲得最大的收益。「我們有一些初步的模型表明，倒裝晶片技術與背面晶圓減薄相結合，可以將我們器件的整體熱阻降低到接近SiC的水平。」

Chabak承認，實現這樣的成功並不容易。「我不指望它能在短期內得到解決」。事實上，如果要取得重大進展，很可能需要重大計劃的資助。不過，探索這方面的方法可以借鑑以往在化合物半導體行業的成功經驗。「幸運的是，我們已經有很多熱管理方案，是針對氮化鎵和砷化鎵開發的。所以我們希望能利用這些優勢。」

引入電子束光刻技術

Chabak和他的同事們還不打算解決這個問題。相反，他們將在短期內致力於將電子束光刻技術引入到製造工藝中，並將電晶體的尺寸縮小到微米以下。由此產生的器件將結合非常高的速度和高擊穿電壓，可能成為快速開關應用的非常有吸引力的候選器件。

尋求內部材料來源

該團隊主要與他們的氧化鎵材料合作夥伴合作生產外延片。但這種情況應該很快就會改變，因為去年該小組投資了一個最先進的氧化物MBE工具，它可以處理4英寸的基板，並生產具有矽或鍺摻雜的氧化鎵外延片。該反應器還將用於生產異質結構，如含有氧化鋁鎵的異質結構。

該工具的引入擴大了AFRL的研究人員數量，吸引他們至少將部分時間用於氧化鎵。幾年前，該項研究只包含一個較小的設備工程師小組，均來自傳感器組。但隨著MBE機器的部署和感興趣的指數級提升，他們現在有來自AFRL整個材料，器件和動力組的參與者。Chabak說：「當我們為氧化鎵舉行會議時，我們現在可以輕鬆地填滿一個大房間。」

一旦外延片的生產在內部完成，該團隊只需要採購襯底。近期，它們將繼續來自Tamura，但在更遠的未來，它們可以從國內來源獲得。這是因為AFRL一直在資助諾格公司的子公司Synoptics的氧化鎵晶體生長計劃。Chabak說：「他們走在了前面，因為他們長期以來一直在製造雷射器用晶體。」利用Czochralski技術，Synoptics已經能夠生長、製造和拋光直徑達2英寸的半絕緣（010）基板。在過去的幾個月裡，AFRL的團隊已經開始使用這些襯底製造器件。Chabak說：「它們可以和Tamura相比嗎？有些是--我們正在實現，」

除了這筆資金外，AFRL最近還與Saint Gobain啟動了一項計劃，用於半絕緣、(010)2英寸氧化鎵基板的邊緣饋電薄膜生長。為大面積氧化鎵襯底建立國內來源將是Chabak和他的設備團隊補足的一環。這應該會導致研究和開發的加強，給來自AFRL的團隊一個很好的機會，為他們在氧化鎵器件方面的破紀錄成果添磚加瓦。

信息來源

https://compoundsemiconductor.net/article/111289/AFRL_Breaking_Records_With_Gallium_Oxide/feature