Оксид галлия Ga2O3 в Минске

Оксид галлия GaO — сверхширокозонный полупроводник для силовой электроники

Оксид галлия GaO — сверхширокозонный полупроводниковый материал с шириной запрещённой зоны около 4,8 эВ, что существенно превышает показатели карбида кремния (SiC, 3,26 эВ) и нитрида галлия (GaN, 3,4 эВ). Благодаря этому оксид галлия обеспечивает пробивную напряжённость электрического поля на уровне 8 МВ/см, что делает его перспективной основой для силовых транзисторов и высоковольтных диодов Шоттки следующего поколения. Материал выращивается методами Чохральского, зонной плавки и эпитаксии из паровой фазы, что позволяет получать монокристаллические подложки диаметром до 100 мм и эпитаксиальные структуры с контролируемым профилем легирования.

Ключевые электрофизические параметры

Основное преимущество GaO перед конкурентными широкозонными материалами — сочетание высокого напряжения пробоя и низких удельных потерь в открытом состоянии. Фигура качества Балиги (Baliga's figure of merit) для оксида галлия примерно в 3000 раз выше, чем у кремния, и в 4–10 раз выше, чем у SiC и GaN. Материал существует в нескольких кристаллографических фазах (, , , , ), из которых термодинамически стабильной и наиболее изученной является моноклинная -фаза. Легирование кремнием или оловом обеспечивает концентрацию свободных носителей в диапазоне 10–10 см, что позволяет изготавливать как высокоомные дрейфовые слои, так и низкоомные контактные области.

Технологические особенности и ограничения

Ключевая особенность GaO — возможность выращивания крупноформатных монокристаллов из расплава методом Чохральского. В отличие от SiC и GaN, для которых требуются дорогостоящие методы сублимационного роста или эпитаксии на инородных подложках, оксид галлия позволяет получать собственные подложки с низкой плотностью дислокаций (менее 10 см). Это существенно снижает стоимость эпитаксиальных структур и делает материал экономически привлекательным для массового производства силовых компонентов.

Ограничением остаётся низкая теплопроводность -GaO (10–27 Вт/(мК) в зависимости от кристаллографического направления), что требует применения теплоотводящих подложек из алмаза, SiC или меди с барьерными слоями. Для управления тепловыми режимами в мощных устройствах применяются структуры с тонким (менее 10 мкм) дрейфовым слоем GaO, перенесённым на высокотеплопроводную подложку, а также вертикальные транзисторы с удалённой исходной подложкой.

Применение в силовой электронике

Оксид галлия GaO ориентирован на создание силовых ключей и выпрямителей с рабочим напряжением 600–3000 В и выше. Основные направления разработок:

• вертикальные транзисторы с затвором на основе p-n-перехода (JFET) и полевые транзисторы с металлическим затвором (MESFET);
• диоды Шоттки с барьером металл–полупроводник для импульсных источников питания и преобразователей;
• высоковольтные выпрямительные столбы для тяговых преобразователей железнодорожного транспорта;
• ключевые элементы для систем заряда электромобилей и фотоэлектрических инверторов;
• твердотельные СВЧ-устройства с рабочими частотами до 10 ГГц для радиолокационных станций и систем связи 5G;
• детекторы ультрафиолетового излучения с чувствительностью в диапазоне 200–280 нм для пламенных датчиков и экологического мониторинга.

Формы поставки и критерии выбора

Оксид галлия GaO поставляется в виде монокристаллических подложек с ориентацией (201) или (001), эпитаксиальных структур n/n, а также готовых чипов диодов и транзисторов. При выборе материала для конкретного применения учитываются концентрация легирующей примеси в дрейфовом слое, толщина эпитаксиального слоя, плотность дислокаций и шероховатость поверхности (Ra менее 0,5 нм для эпитаксии). Для высоковольтных применений с рабочим напряжением свыше 1200 В требуются дрейфовые слои толщиной 10–20 мкм с концентрацией доноров 1–3 10 см, тогда как для низковольтных ключей достаточно слоёв 2–5 мкм с концентрацией до 10 см.

Вопросы и ответы