Оксид галлия – новая надежда высоковольтной электроники?

В недавно опубликованный список запрещенных к экспорту из США продуктов и технологий, «жизненно важных для национальной безопасности», вошел среди прочего оксид галлия – полупроводник со сверхширокой запрещенной зоной перехода. Важность этого материала обусловлена тем, что на его основе можно изготавливать сравнительно недорогие высоковольтные интегральные микросхемы, широко применяемые в передовой радиотехнике, в частности, при создании оборудования для сетей 5G.

Высокая электрическая проводимость металлов и низкая – диэлектриков объясняется тем, что у первых запрещенная зона перехода электрического заряда де-факто отсутствует, тогда как у вторых она чрезвычайно велика. Чтобы диэлектрический образец все-таки пропустил через себя заряженные частицы (ситуация, известная как «пробой изолятора»), к нему необходимо приложить крайне высокое напряжение. Полупроводники же по ширине запрещенной зоны в нормальных условиях занимают промежуточное положение между диэлектриками и металлами.

Для кристаллического кремния типичная ширина запрещенной зоны составляет 1,1 эВ, и потому кремниевые полупроводниковые приборы относятся к разряду низковольтных: для работы с сильными токами, необходимыми в том числе для обеспечения устойчивой широкополосной цифровой радиосвязи, они не годятся. Сегодня разработчики полупроводникового оборудования для сетей 5G и иных высоковольтных СБИС делают ставку на нитрид галлия (GaN), у которого типичная ширина запрещенной зоны – около 3,4 эВ. Оксид галлия Ga2O3 в этом отношении еще более привлекателен, поскольку для него этот параметр достигает 5 эВ.

Известны материалы с еще большей шириной запрещенной зоны, такие как алмаз или нитрид алюминия, но оксид галлия выделяется из этой группы благодаря внушительной комбинации весьма удачных с точки зрения микроэлектроники свойств. Выращивать кристаллы Ga2O3 не сложнее, чем кремниевые, причем для этого можно использовать фактически то же самое оборудование с минимальными доработками, что критически важно для массового производства. Напротив, GaN сам по себе не образует кристаллические структуры – их приходится сложным образом выращивать на сапфировом либо кремниевом субстрате.

Оксид галлия, как и кремний, толерантен к легированию присадками (локально повышающими либо понижающими электронную проводимость), что опять-таки позволяет применять для создания микросхем на основе Ga2O3 то же оборудование, что и для изготовления кремниевых СБИС. При этом получаются компактные полупроводниковые микросхемы с невероятной устойчивостью к проходящим через них токам. Так, еще в 2012 г. в Японии был создан первый транзистор на основе кристаллического оксида галлия с предельной (приводящей к физическому разрушению образца) величиной пропускаемого напряжения более 250 В (!). С тех пор были получены и еще более стойкие образцы.

Едва ли не единственный недостаток Ga2O3, особенно значимый как раз в приложении к высоковольтным приборам, – его крайне невысокая теплопроводность. Если СБИС на основе того же GaN весьма охотно отдают тепло в процессе работы, то при конструировании полупроводниковых приборов на основе оксида галлия, в особенности мощных и высокочастотных, приходится применять изощренные системы охлаждения.

Однако работы в этом направлении более чем оправданны: если инвертор на кремниевых микросхемах, работающий под напряжением 1200 В и потребляющий около 3 кВт мощности, способен оперировать с частотой 20 кГц, то аналогичный прибор на основе карбида кремния SiC при той же подаваемой мощности выдаст уже около 150 кГц, а устройство на основе оксида галлия без труда выйдет и на 1 МГц. Хотя для того, чтобы такого рода приборы пошли в серию, необходимо решить еще немало инженерных и технических проблем.