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在美国空军科学研究办公室和美国国家科学基金会(NSF)的支持下,美国布法罗大学电气工程系的研究人员研发出了一种氧化镓(β-Ga2O3)金属氧化物半导体场效应晶体管,只有一张纸厚度,但可以处理超过8000V的电压。

 


左边的图像显示了三种不同版本的氧化镓晶体管的击穿电压。右边的图像显示了构成晶体管的结构和材料,晶体管的击穿电压可达8000多伏。

 

材料和研究基础

氧化镓具有约4.8eV的超宽带隙能量,超过了现有电力电子材料硅(1.1eV)及其潜在的替代品,包括碳化硅(约3.4eV)和氮化镓(约3.3eV)。与使用较窄带隙材料的系统相比,使用宽带隙材料制成的系统可以更薄、更轻、处理功率更大。副教授Uttam Singisetti和其实验室学生一直在研究氧化镓的潜力,包括之前探索用该材料制造晶体管。

 

技术核心

新型晶体管的一个关键创新围绕着钝化工艺(即在器件上涂抹涂层以降低其表面的化学反应性),为此添加了一层SU-8环氧基聚合物。Singisetti说:“击穿电压越高,器件能处理的功率就越大,钝化层是提升氧化镓晶体管性能的一种简单、高效、经济的方法。”

 

实验结果

3月份进行了针对栅极-漏极长度(Lgd)从30μm到70μm的MOSFET和跨越两种工艺运行的测试,结果显示,与非钝化器件相比,钝化器件的击穿电压始终较高。测试还显示,该晶体管在击穿前可以处理8032V最大电压(对于Lgd高达70μm),这比正在开发的碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)制成的类似设计的晶体管要高。


模拟表明,场强(电磁波在某一特定点的强度,最终决定了电力电子系统的尺寸和重量)的数字超过10MV/cm。Singisetti说:“这些模拟的场强令人印象深刻。但是它们需要通过直接的实验测量来验证。”

 

应用潜力

晶体管可以带来更小、更高效的电子系统,在电动汽车、机车和飞机中控制和转换电力,提高其续航能力。Singisetti说:“为了真正将这些技术推向未来,我们需要下一代电子元器件,可以在不增加电力电子系统尺寸的情况下处理更大的功率负载。”晶体管还可以使微电网技术和固态变压器受益。

 

延伸阅读

美国空军一直高度关注β-Ga2O3的发展。β-Ga2O3因其独特优势引发关注,包括禁带宽度达到4.8eV、击穿场强达到8MV/cm,大约是SiC或GaN的2至3倍。研究β-Ga2O3半导体有望为雷达、电子战和通信系统用一系列军用射频和开关器件带来成本、体积、重量和性能等方面的重大变革。

 

2014年5月,AFRL发布合同行为声明(NOCA)——“研发氧化镓体衬底。其中写道,下一代军用感知系统依赖电子材料持续创新所带来的具备新能力的新型电子器件。


2016年4月,美国Kyma公司与美空军合作推出氧化镓外延片。


2018年2月,美国空军研究实验室展现氧化镓场效应管,具备超越硅的成本和体积优势。


2018年8月,美国俄亥俄州立大学、空军研究实验室等单位的研究人员已经表明,氧化镓(Ga2O3)宽禁带半导体可以设计成纳米级结构,使电子在晶体结构内移动得更快。


2018年8月,美国布法罗大学研制出耐压1850V的氧化镓晶体管,提高器件功率并保持小体积、低质量。

 

2018年12月,佛罗里达大学,美国海军研究实验室和韩国大学评估氧化镓作为超宽带隙半导体的前景。 


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