电力电子技术是目前正在开发的技术，旨在通过静态方式实现电力的高效功率转换，从而实现与功率器件性能直接相关的节能。人们已经系统地研究了 SiC 和 GaN 等宽带隙 (WBG) 材料，以实现高工作电压和能量转换效率。它提高了电力电子系统的功率密度和效率。进一步发展需要考虑几项先进的改进，例如高击穿电压、低能量损耗、低成本和易于集成的尖端半导体技术。

尽管有关 Ga 2 O 3的论文数量不断增加，但 beta-Ga 2 O 3 的进展和性能 仍落后于 SiC 和 GaN。在每一个电力应用背后，金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 是电力应用最重要的组成部分。

氧化镓的基本性质：

1） Ga 2 O 3的晶体结构： 

刚玉（α）和单斜（β）是 Ga2O3 单晶最常用的同质异形体。还有其他同质异形体，例如缺陷尖晶石（γ）和斜方（ε），其中 δ 相被广泛认为是斜方相的一种形式。

图 1.(a)图 1.(b)

图1(a)中，Ga2O3各相在常温下均能保持稳定，在高温或高压下会转变为其他相，其中最稳定的是Ga2O3的单斜相(β-Ga2O3)。

镓（Ga）原子仅以四配体和六配体两种形式存在，如图 1（b）所示。β-Ga2O3 晶体结构中分别堆叠有 [GaO6] 八面体和扭曲的 [GaO4] 四面体。物理和光学特性，例如，由于 Ga 和O原子的位置不同，在 (-201)、(100)、(010) 处具有不同的热导率

2） β-Ga 2 O 3的物理性质：

表一列出了一些重要半导体的物理性质，其中β-Ga 2 O 3的热导率最高 为0.27 W cm -1  K -1  ，热导率最低为0.1-0.3 W cm -1  K -1，可通过不同的性能系数（FOM）对各种半导体进行比较。

除了 p 型掺杂外，热导率也是 β-Ga 2 O 3 功率应用的另一个问题，如表一所示。因此，人们认为，只要热导率较差的缺点，β-Ga 2 O 3 将在单极功率器件中最大限度地发挥其潜力。

3）单晶Ga 2 O 3：

制造适用于高压和高功率应用的电子设备通常需要大面积、低缺陷密度的晶体。熔融生长法很有可能实现低成本的商业化衬底，并且与其他 WBG SiC、AIN 和金刚石等半导体相比，其经济竞争优势正在显现。

边缘限定薄膜进料 (EFG) 是广泛使用的 Ba2O3 晶体生产方法。还有其他方法，例如浮动区 (FZ) 和垂直布里奇曼 (VB) 生长法。

Ga2O3FET的制造工艺 ：

i）Ga2O3器件上的栅极电介质和表面钝化 ：

有效的栅极控制能力对于 Ga2O3 基 MOS 器件的性能至关重要，必须满足以下前提。首先，栅极电介质在加工过程中必须不发生反应，并与半导体具有热力学稳定性。还需要高通道迁移率、界面质量和缺陷密度。最后，栅极电介质/Ga2O3 的能带偏移被讨论为关键参数之一，合适的栅极电介质必须具有足够的能带偏移（导带偏移和价带偏移通常大于 1 eV）以分别充当电子或空穴屏障。

表 II 总结了报告的从沉积在 Ga2O3 或 AlxGa1-xO 上的各种电介质中提取的能带偏移和能带排列类型。

ii）Ga 2 O 3上的接触和蚀刻：

为了降低器件的功率损耗和比导通电阻 (Ron)，获得具有低比接触电阻和合适高温的可靠欧姆接触非常重要。在 Ga 2 O 3 /Ti/Au 中掺杂 Si 离子有助于实现具有低比电阻的欧姆接触，电阻率为 4.6×10-6 Ω.cm2 和 1.4 mΩ.cm。Sn 和 Ge 等施主离子也用于离子注入以形成 Ga2O3 MOSFET 的漏极/源极电极。

Ga 2 O 3的图案化结构和隔离器件主要采用湿法刻蚀和干法刻蚀工艺。 晶体的质量决定了湿法刻蚀的速率。室温下，HF和HCl溶液对Ga2O3刻蚀效果较好；高温下，H3PO4、KOH和H 2 SO 4等溶液对Ga2O3进行湿法刻蚀。干法刻蚀Ga 2 O 3 可实现更高分辨率的图案化工艺. 干法蚀刻使用高密度等离子蚀刻技术，如电子回旋共振 (ECR，工作频率为 2.45 GHz)、电感耦合等离子体 (ICP，工作频率为 2–13.56 MHz) 和反应离子蚀刻 (RIE)。对于 β-Ga2O3 的氯基干法蚀刻，由于等离子体密度较高，考虑到蚀刻速率和表面粗糙度，ICP 优于 RIE。

图 2. (a) β-Ga2O3 的蚀刻速率与 Cl2/BCl3 ICP 等离子体中 Cl2 含量的关系 [161]；(b) BCl3/Ar 和 Cl2/Ar ICP 蚀刻的蚀刻速率与衬底温度的关系 [161]。(c) UID (-201) β-Ga2O3 的蚀刻速率与不同 ICP 功率下的 RIE 功率的关系 [160]；(d) 蚀刻速率与 60W RIE 功率下的 ICP 功率的关系 [160

Ga 2 O 3  MOSFET概述：

MH Wong 等人采用 Si+ 离子注入掺杂法，制作了由栅极连接场板和化学气相沉积 (CVD) SiO2 钝化层组成的 Ga2O3 场板 MOSFET (FP-MOSFET)，其关断态击穿电压为 755 V，电流开/关比在 109 以上，并能在 300°C 热应力下保持稳定的高温工作。

图 3. (a) 通用 Ga2O3 FP-MOSFET [22] 的示意横截面图，(b) 源极连接 FP-MOSFET [23] 的示意横截面图

一种方法是减小沟道厚度，确保沟道在零 Vgs 以下完全耗尽，包括绝缘体上 β-Ga2O3场效应晶体管(GOOI FET) [17], [136], [137]。另一种方法是采用薄有源区，使沟道在零栅极偏压 (Vgs) 下完全耗尽，这还包括调制沟道掺杂浓度 (Nd)、栅极金属功函数 (Фm) 和氧化物/Ga2O3 界面的界面电荷 (Qit)。

图 4. (a) GOOI FET 示意图 (b) 各种 GOOI FET 从 D 模式到 E 模式的厚度相关 ID-Vgs 图 [17]。 (c) ION 和峰值 Gm、int 的温度依赖性特性 [183] 和 (d) AlN/Si 衬底上的 β-Ga2O3 GOOI FET 的 Vth 温度依赖性

开发Ga2O3的有效浅受主和有效的Ga2O3 p型掺杂技术以及Ga2O3超低热导率（κ）引起的严重自热效应是Ga2O3发展面临的主要挑战。这些问题可以通过考虑以下几点来解决：

● 开发大直径、高质量单晶。

●  外延生长。

●  E 模式操作

● 热稳定的肖特基触点。

● 流程优化。

● 晶体管的栅极调制。

● 降低 RON。

●  Ga2O3 中的建模和设备模拟。

● 设备可靠性及未来分析（FA）。

● 热管理。

表三

电力电子器件用于电动机控制、光伏逆变器、电动汽车驱动、轨道交通、船舶、风车和智能电网，用于转换电力系统中的能量。如今，基于 Si 和 SiC 的器件在高压/高功率市场中占据主导地位，而超宽带隙 (UWBG) 材料（如 Ga2O3 和金刚石）被认为可能用于高功率市场（>1 kW）。气体传感器和日盲光电探测器是氧化镓 (III) [Ga2O3] 半导体的应用。

结论：

过去几年，  β-Ga2O3 单晶和薄膜的开发取得了重大进展。研究人员展示了几种有效的解决方案，以解决 p 型掺杂缺失的问题，包括低掺杂通道、高功函数栅极金属、垂直中度掺杂鳍片、使用栅极凹槽工艺的薄通道几何形状、GOOI FET 结构以及栅极区域界面态的薄耗尽层。需要对 p 型掺杂和器件制造进行更多研究。有必要开发用于功率应用的 β-Ga2O3 FET，并减少高频应用的栅极长度。 在解决了上述问题后，预计 Ga 2 O 3 器件将与中高功率Si和SiC器件竞争。