在所有其他參數相同的情況下，對于電子應用，寬帶隙(WBG)半導體優于窄帶半導體(如硅)，因為導帶和價帶之間的大能量分離允許這些器件在高溫和較高電壓下工作。例如，與行業巨頭硅1.1eV的相對窄帶隙相比，氮化鎵(GaN)的帶隙為3.4eV。

帶隙測量將電子推入導電狀態需要多少能量；更大的帶隙使材料能夠承受更強的電場，因此與由帶隙較低的材料組成的部件相比，組件可以更薄(對于給定的電壓)、更輕、處理更多的功率。

具有較大帶隙的半導體已經被開發用于硅不能提供足夠功率密度以獲得必要結果的應用。尤其是碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)在功率開關和/或功率放大器應用方面取得了巨大進步。除了這些公認的市場，用于自動駕駛汽車的激光雷達傳感器和用于機器人的運動控制是其他新興領域。SiC MOSFETs在手機應用中也很常見，GaN功率晶體管在數據中心服務器電源等600 V細分市場也有應用。

現在，寬帶隙半導體在市場上的可用性和性能已經確定但是，就在碳化硅和氮化鎵站穩腳跟的時候，另一種帶隙更大的半導體出現了。寬帶隙半導體氧化鎵(Ga2O3)有望成為肖特基勢壘二極管和場效應晶體管等功率轉換系統的下一代器件。由寬帶隙半導體制成的肖特基整流器具有快速的開關速度，對于提高電機控制器和電源的效率以及低正向壓降和高溫可操作性非常重要。

Ga2O3的帶隙是4.4至4.9電子伏，取決于晶體結構，這代表著氮化鎵和碳化硅的主要增長。當然，還有其他帶隙更寬的半導體，如氮化鋁(AlN)和金剛石，但到目前為止，這些只是學術界感興趣的。

預計氧化鎵在高功率和高頻器件中特別有用。與其他半導體不同，它也可以直接從熔融狀態生產，從而能夠大規模生產高質量的晶體。

由于Ga2O3作為高擊穿電壓器件應用的主要候選物的潛力，對Ga2O 3的興趣在過去幾年中迅速增長。它在高功率開關中的應用由大約8 MV/cm的高臨界場強支持。像氮化鎵一樣，Ga2O3具有比硅更高的臨界電場強度，其更高的電子遷移率使得器件在給定的導通電阻和擊穿電壓下具有更小的尺寸。這允許設備在物理上更小。

Ga2O3電子產品的最初目標是用于DC/DC和DC/交流應用的高功率轉換器。肖特基二極管可以在開關模式功率轉換器中補充600伏硅或碳化硅整流器。人們應該記住，在電源開關應用中，工作電壓受到擊穿電場強度(Ebr)的限制，這是這里的關鍵規格。Ga2O3的臨界場強是硅的20倍以上，是SiC和GaN的2倍以上。因此，它應該能夠在高電壓和高溫下工作，同時產生比當前發電設備高得多的功率。到目前為止，用Ga2O3演示的電子器件包括擊穿電壓> 1 kV的千伏級肖特基整流器和臨界場強大于典型氮化鎵或碳化硅值的金屬氧化物半導體場效應晶體管。

由于許多關鍵器件參數隨著帶隙值呈指數級提高，因此這種提高足以證明全面開發新技術的努力是合理的。也就是說，必須補充的是，Ga2O3有局限性——與其他WBG材料相比，它的熱導率非常低。

由于已經提到的原因，Ga2O3可能會補充碳化硅和氮化鎵，但預計不會取代它們。那么，除了更成熟的碳化硅和氮化鎵功率器件技術之外，它還需要發揮什么作用呢？

如上所述，氧化鎵的導熱性很差。當你制造一個大功率設備時，你需要有一個良好的導熱性來從設備中提取熱量。首先，氧化鎵的低熱導率可以通過襯底或通過減薄襯底、使用散熱器以及頂部散熱來緩解。

此外，請記住，碳化硅功率器件從構思到商業化需要幾十年的時間。同樣，商用GaN射頻(rf)晶體管最早出現在2004年，2008年有100 V器件，2012年有600 V器件。市售的碳化硅和氮化鎵功率器件仍然具有高成本，并且碳化硅和氮化鎵不能像硅一樣從熔體中生長。

氮化鎵和碳化硅目前覆蓋許多相同的電壓范圍，氮化鎵器件占主導地位，從幾十到幾百伏，碳化硅從大約1千伏到幾千伏。氮化鎵器件的未來——近期——電壓范圍應該從商用的1200伏器件到3300伏的實驗器件，而碳化硅器件將擴展到600伏。換句話說，這些技術在很大程度上是互補的，并將繼續共存。Ga2O3不會取代這些材料，但它可能在更高的電壓下補充它們。

此外，現有的硅、碳化硅和氮化鎵在工藝成熟度方面具有巨大優勢，這一優勢對于硅來說尤其如此。

對于Ga2O3來說，這一旅程才剛剛開始，因為關于其基本性質的報告和研究才剛剛開始出現。飛機電子、雷達和電子戰系統電源、汽車電子、電動機控制器和功率調節等應用需要高效電源和功率轉換器。

　　審核編輯：湯梓紅