電力電子技術是目前正在開發的技術，旨在通過靜態方式實現電力的高效功率轉換，從而實現與功率器件性能直接相關的節能。人們已經系統地研究了 SiC 和 GaN 等寬帶隙 (WBG) 材料，以實現高工作電壓和能量轉換效率。它提高了電力電子系統的功率密度和效率。進一步發展需要考慮幾項先進的改進，例如高擊穿電壓、低能量損耗、低成本和易于集成的尖端半導體技術。

盡管有關 Ga 2 O 3的論文數量不斷增加，但 beta-Ga 2 O 3 的進展和性能 仍落后于 SiC 和 GaN。在每一個電力應用背后，金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 是電力應用最重要的組成部分。

氧化鎵的基本性質：

1） Ga 2 O 3的晶體結構： 

剛玉（α）和單斜（β）是 Ga2O3 單晶最常用的同質異形體。還有其他同質異形體，例如缺陷尖晶石（γ）和斜方（ε），其中 δ 相被廣泛認為是斜方相的一種形式。

圖 1.(a)圖 1.(b)

圖1(a)中，Ga2O3各相在常溫下均能保持穩定，在高溫或高壓下會轉變為其他相，其中最穩定的是Ga2O3的單斜相(β-Ga2O3)。

鎵（Ga）原子僅以四配體和六配體兩種形式存在，如圖 1（b）所示。β-Ga2O3 晶體結構中分別堆疊有 [GaO6] 八面體和扭曲的 [GaO4] 四面體。物理和光學特性，例如，由于 Ga 和O原子的位置不同，在 (-201)、(100)、(010) 處具有不同的熱導率

2） β-Ga 2 O 3的物理性質：

表一列出了一些重要半導體的物理性質，其中β-Ga 2 O 3的熱導率最高 為0.27 W cm -1  K -1  ，熱導率最低為0.1-0.3 W cm -1  K -1，可通過不同的性能系數（FOM）對各種半導體進行比較。

除了 p 型摻雜外，熱導率也是 β-Ga 2 O 3 功率應用的另一個問題，如表一所示。因此，人們認為，只要熱導率較差的缺點，β-Ga 2 O 3 將在單極功率器件中最大限度地發揮其潛力。

3）單晶Ga 2 O 3：

制造適用于高壓和高功率應用的電子設備通常需要大面積、低缺陷密度的晶體。熔融生長法很有可能實現低成本的商業化襯底，并且與其他 WBG SiC、AIN 和金剛石等半導體相比，其經濟競爭優勢正在顯現。

邊緣限定薄膜進料 (EFG) 是廣泛使用的 Ba2O3 晶體生產方法。還有其他方法，例如浮動區 (FZ) 和垂直布里奇曼 (VB) 生長法。

Ga2O3FET的制造工藝 ：

i）Ga2O3器件上的柵極電介質和表面鈍化 ：

有效的柵極控制能力對于 Ga2O3 基 MOS 器件的性能至關重要，必須滿足以下前提。首先，柵極電介質在加工過程中必須不發生反應，并與半導體具有熱力學穩定性。還需要高通道遷移率、界面質量和缺陷密度。最后，柵極電介質/Ga2O3 的能帶偏移被討論為關鍵參數之一，合適的柵極電介質必須具有足夠的能帶偏移（導帶偏移和價帶偏移通常大于 1 eV）以分別充當電子或空穴屏障。

表 II 總結了報告的從沉積在 Ga2O3 或 AlxGa1-xO 上的各種電介質中提取的能帶偏移和能帶排列類型。

ii）Ga 2 O 3上的接觸和蝕刻：

為了降低器件的功率損耗和比導通電阻 (Ron)，獲得具有低比接觸電阻和合適高溫的可靠歐姆接觸非常重要。在 Ga 2 O 3 /Ti/Au 中摻雜 Si 離子有助于實現具有低比電阻的歐姆接觸，電阻率為 4.6×10-6 Ω.cm2 和 1.4 mΩ.cm。Sn 和 Ge 等施主離子也用于離子注入以形成 Ga2O3 MOSFET 的漏極/源極電極。

Ga 2 O 3的圖案化結構和隔離器件主要采用濕法刻蝕和干法刻蝕工藝。 晶體的質量決定了濕法刻蝕的速率。室溫下，HF和HCl溶液對Ga2O3刻蝕效果較好；高溫下，H3PO4、KOH和H 2 SO 4等溶液對Ga2O3進行濕法刻蝕。干法刻蝕Ga 2 O 3 可實現更高分辨率的圖案化工藝. 干法蝕刻使用高密度等離子蝕刻技術，如電子回旋共振 (ECR，工作頻率為 2.45 GHz)、電感耦合等離子體 (ICP，工作頻率為 2–13.56 MHz) 和反應離子蝕刻 (RIE)。對于 β-Ga2O3 的氯基干法蝕刻，由于等離子體密度較高，考慮到蝕刻速率和表面粗糙度，ICP 優于 RIE。

圖 2. (a) β-Ga2O3 的蝕刻速率與 Cl2/BCl3 ICP 等離子體中 Cl2 含量的關系 [161]；(b) BCl3/Ar 和 Cl2/Ar ICP 蝕刻的蝕刻速率與襯底溫度的關系 [161]。(c) UID (-201) β-Ga2O3 的蝕刻速率與不同 ICP 功率下的 RIE 功率的關系 [160]；(d) 蝕刻速率與 60W RIE 功率下的 ICP 功率的關系 [160

Ga 2 O 3  MOSFET概述：

MH Wong 等人采用 Si+ 離子注入摻雜法，制作了由柵極連接場板和化學氣相沉積 (CVD) SiO2 鈍化層組成的 Ga2O3 場板 MOSFET (FP-MOSFET)，其關斷態擊穿電壓為 755 V，電流開/關比在 109 以上，并能在 300°C 熱應力下保持穩定的高溫工作。

圖 3. (a) 通用 Ga2O3 FP-MOSFET [22] 的示意橫截面圖，(b) 源極連接 FP-MOSFET [23] 的示意橫截面圖

一種方法是減小溝道厚度，確保溝道在零 Vgs 以下完全耗盡，包括絕緣體上 β-Ga2O3場效應晶體管(GOOI FET) [17], [136], [137]。另一種方法是采用薄有源區，使溝道在零柵極偏壓 (Vgs) 下完全耗盡，這還包括調制溝道摻雜濃度 (Nd)、柵極金屬功函數 (Фm) 和氧化物/Ga2O3 界面的界面電荷 (Qit)。

圖 4. (a) GOOI FET 示意圖 (b) 各種 GOOI FET 從 D 模式到 E 模式的厚度相關 ID-Vgs 圖 [17]。 (c) ION 和峰值 Gm、int 的溫度依賴性特性 [183] 和 (d) AlN/Si 襯底上的 β-Ga2O3 GOOI FET 的 Vth 溫度依賴性

開發Ga2O3的有效淺受主和有效的Ga2O3 p型摻雜技術以及Ga2O3超低熱導率（κ）引起的嚴重自熱效應是Ga2O3發展面臨的主要挑戰。這些問題可以通過考慮以下幾點來解決：

● 開發大直徑、高質量單晶。

●  外延生長。

●  E 模式操作

● 熱穩定的肖特基觸點。

● 流程優化。

● 晶體管的柵極調制。

● 降低 RON。

●  Ga2O3 中的建模和設備模擬。

● 設備可靠性及未來分析（FA）。

● 熱管理。

表三

電力電子器件用于電動機控制、光伏逆變器、電動汽車驅動、軌道交通、船舶、風車和智能電網，用于轉換電力系統中的能量。如今，基于 Si 和 SiC 的器件在高壓/高功率市場中占據主導地位，而超寬帶隙 (UWBG) 材料（如 Ga2O3 和金剛石）被認為可能用于高功率市場（>1 kW）。氣體傳感器和日盲光電探測器是氧化鎵 (III) [Ga2O3] 半導體的應用。

結論：

過去幾年，  β-Ga2O3 單晶和薄膜的開發取得了重大進展。研究人員展示了幾種有效的解決方案，以解決 p 型摻雜缺失的問題，包括低摻雜通道、高功函數柵極金屬、垂直中度摻雜鰭片、使用柵極凹槽工藝的薄通道幾何形狀、GOOI FET 結構以及柵極區域界面態的薄耗盡層。需要對 p 型摻雜和器件制造進行更多研究。有必要開發用于功率應用的 β-Ga2O3 FET，并減少高頻應用的柵極長度。 在解決了上述問題后，預計 Ga 2 O 3 器件將與中高功率Si和SiC器件競爭。