氧化鎵：“鎵族”新勢力

近日，有報道稱，韓國30家半導(dǎo)體企業(yè)、大學(xué)以及研究所組建了碳化硅產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，目的是為了應(yīng)對急速增長的碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鎵（Ga2O3）等寬禁帶半導(dǎo)體所引領(lǐng)的新型功率半導(dǎo)體市場。與此同時，日本企業(yè)Novel Crystal Technology（NCT）與日本酸素控股旗下的大陽日酸、東京農(nóng)工大學(xué)合作實現(xiàn)了氧化鎵功率半導(dǎo)體的6英寸成膜，突破了只能在最大4英寸晶圓上成膜的技術(shù)瓶頸，此技術(shù)有望把成本降至碳化硅功率半導(dǎo)體的三分之一。

在后摩爾時代，具有先天性能優(yōu)勢的寬禁帶半導(dǎo)體材料脫穎而出，以碳化硅和氮化鎵為代表的寬禁帶半導(dǎo)體，憑借其大幅降低電力傳輸中能源消耗的顯著優(yōu)勢，在功率器件和射頻器件領(lǐng)域大放異彩，成為全球半導(dǎo)體行業(yè)的研究焦點。而氧化鎵的出現(xiàn)帶來了新風(fēng)向，作為超寬禁帶半導(dǎo)體，研究證明，以氧化鎵材料所制作功率器件，相較于碳化硅和氮化鎵所制成的產(chǎn)品，更加耐熱且高效、成本更低、應(yīng)用范圍更廣。所以業(yè)內(nèi)普遍認為，氧化鎵有望替代碳化硅和氮化鎵成為新一代半導(dǎo)體材料的代表。目前，各國的半導(dǎo)體企業(yè)都爭先恐后布局，氧化鎵正在逐漸成為半導(dǎo)體材料界一顆冉冉升起的新星。

百家爭鳴，恐落人后

“氧化鎵是一種新型超寬禁帶半導(dǎo)體材料，與碳化硅、氮化鎵相比，氧化鎵的禁帶寬度達到了4.9eV，高于碳化硅的3.25eV和氮化鎵的3.4eV，確保了其抗輻照和抗高溫能力，可以在高低溫、強輻射等極端環(huán)境下保持穩(wěn)定的性質(zhì)；而其高擊穿場強的特性則確保了制備的氧化鎵器件可以在超高電壓下使用，有利于提高載流子收集效率。”北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院教授李成明介紹道。但氧化鎵作為新生代寬禁帶半導(dǎo)體材料，目前還處于研發(fā)階段，國內(nèi)外企業(yè)都在攻堅克難，爭取拔得頭籌。

日本企業(yè)Novell Crystal Technology作為氧化鎵晶體研發(fā)領(lǐng)域的先驅(qū)，是世界上最早能夠量產(chǎn)氧化鎵基礎(chǔ)材料（單晶和外延）及器件的企業(yè)，正在聯(lián)合村田制作所、三菱電機、日本電裝和富士電機等科技巨頭，以及東京農(nóng)工大學(xué)、京都大學(xué)和日本國家信息與通信研究院等科研機構(gòu)，推動氧化鎵單晶及襯底材料以及下游功率器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

近日，Novell Crystal Technology與佐賀大學(xué)合作攻克了其第二代氧化鎵4英寸外延片中由外延式沉積成膜過程中產(chǎn)生的一種特定粉末所造成的缺陷過多問題。通過改善成膜條件之后，成功制造出了第三代氧化鎵4英寸外延片，缺陷降低到0.7個／c㎡，相較上一代產(chǎn)品，缺陷降至7%左右。

此外，Novell Crystal Technology還完成了300A～500A級的大型氧化鎵肖特基勢壘二極管的原型樣品制作。這將使氧化鎵功率器件能夠真正被廣泛應(yīng)用于電動汽車等需要100A級功率器件的市場中。預(yù)計到2030年左右，以原油計算，節(jié)能效果將超過10萬千升/年。

我國也在進行氧化鎵的研發(fā)。中國科協(xié)發(fā)布的2021年度“科創(chuàng)中國”系列榜單中，中山大學(xué)王鋼教授團隊自主研發(fā)的科研成果“大尺寸氧化鎵單晶薄膜異質(zhì)外延生長技術(shù)及核心裝備”榮登“先導(dǎo)技術(shù)榜”。王鋼教授團隊研發(fā)的設(shè)備通過獨特的反應(yīng)腔設(shè)計，解決了氧化鎵薄膜材料異質(zhì)外延生長過程中預(yù)反應(yīng)強等問題，提高了批次的均勻性和良率。同時，采用多層勻氣送氣結(jié)構(gòu)和特種噴射技術(shù)以及加熱控制系統(tǒng)，解決了大容量大尺寸反應(yīng)腔加工制造過程中的焊接組裝問題，有望成為我國新興超寬禁帶功率半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)化突破口，推動我國氧化鎵基功率電子器件的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進程。

而在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)具有全面領(lǐng)先優(yōu)勢的美國，正在從前沿軍事技術(shù)布局的角度大力發(fā)展氧化鎵材料及功率器件。美國空軍研究實驗室、美國海軍實驗室和美國宇航局，積極尋求與美國高校和全球企業(yè)合作，開發(fā)耐更高電壓、尺寸更小、更耐輻照的氧化鎵功率器件。德國萊布尼茨晶體生長研究所、法國圣戈班等全球企業(yè)/科研機構(gòu)也加入了氧化鎵材料及器件研發(fā)的浪潮中，這種半導(dǎo)體材料可謂是吸引了世界的廣泛關(guān)注。

我國研究氧化鎵的機構(gòu)和高校較多，也取得了很多研究成果，有望在應(yīng)用場景和需求量逐漸明確之后，進行科技成果轉(zhuǎn)移。專家表示，氧化鎵基本尚未產(chǎn)業(yè)化，中國企業(yè)機會很多，要找準(zhǔn)需求點，利用好現(xiàn)有的科研成果，以取得發(fā)展的優(yōu)勢。

優(yōu)劣勢并存，趨利避害

中國科學(xué)院院士郝躍在接受采訪時明確指出，氧化鎵材料是最有可能在未來大放異彩的材料之一，在未來的10年左右，氧化鎵器件有可能成為有競爭力的電力電子器件，會直接與碳化硅器件競爭。但氧化鎵目前的研發(fā)進度還不夠快，仍需不懈努力。

目前針對氧化鎵展開研究的各大企業(yè)、高校和研究所都對氧化鎵的性能寄予厚望，但距離真正實際應(yīng)用還需要解決很多關(guān)鍵的瓶頸問題。

目前研發(fā)上遇到的障礙主要有兩方面，一是大尺寸高質(zhì)量單晶的制作，目前僅有日本企業(yè)研發(fā)出6英寸單晶，但是還未實現(xiàn)批量供貨。二是氧化鎵材料大功率、高效率電子器件還處于實驗室階段的研發(fā)，在大規(guī)模實際應(yīng)用方面還有欠缺。

“氧化鎵的禁帶寬度比氮化鎵、碳化硅等更寬，功率可以做得更高，也更加省電。氧化鎵的制備條件比較苛刻，目前外延材料以2-3寸的小尺寸為主，量產(chǎn)和應(yīng)用還有一段路要走。”西安電子科技大學(xué)郭輝副教授向《中國電子報》記者表示。

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員閆建昌表示：“散熱能力不足是氧化鎵的弊端，如何繞開這個弊端的話，去充分發(fā)揮它在功率器件的優(yōu)勢，是值得關(guān)注的發(fā)展方向。氧化鎵在器件和產(chǎn)業(yè)發(fā)展上還有很大的空間，發(fā)展的基礎(chǔ)取決于材料本身和材料制備水平，要實現(xiàn)更低的缺陷密度，把材料的優(yōu)勢和潛力充分發(fā)掘出來，這是未來超寬禁帶技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。”

大尺寸低缺陷氧化鎵單晶的制備方法以及高表面質(zhì)量氧化鎵晶片的超精密加工技術(shù)是實現(xiàn)氧化鎵半導(dǎo)體器件工業(yè)應(yīng)用的主要瓶頸。李成明指出，氧化鎵材料的短板主要在于導(dǎo)熱性能較差。因此，許多單位開展將轉(zhuǎn)移晶圓級氧化鎵薄膜于高導(dǎo)熱襯底的研究。如轉(zhuǎn)移到高導(dǎo)熱率碳化硅和碳基襯底上異質(zhì)集成制備氧化鎵MOSFET器件，近日也出現(xiàn)了將氧化鎵與金剛石進行鍵合的消息。

專業(yè)分析師池憲念建議，未來氧化鎵材料需要在高質(zhì)量、低缺陷、大尺寸單晶方面的生產(chǎn)技術(shù)進行突破，并在實驗室電子器件的商業(yè)化、大規(guī)模應(yīng)用上進行發(fā)力。

超越氮化鎵，未來可期

雖然仍處于研發(fā)階段，但氧化鎵應(yīng)用前景已經(jīng)被多領(lǐng)域廣泛看好。

李成明指出，以氧化鎵為基礎(chǔ)材料的功率器件具有更高的擊穿電壓與更低的導(dǎo)通電阻，從而擁有更低的導(dǎo)通損耗和更高的功率轉(zhuǎn)換效率，在功率電子器件方面具有極大的應(yīng)用潛力。而在日盲紫外探測方面，氧化鎵具有獨特的優(yōu)勢，可以利用這點制作光電子器件。如制作對紫外區(qū)域、波長短、禁帶寬等有需求的日盲光電器件。

芯謀研究高級分析師張彬磊向《中國電子報》記者表示，氧化鎵作為一種新興的超寬帶隙導(dǎo)體，擁有4.9~5.3eV的超大帶隙（SiC和GaN的帶隙為3.3eV，硅則僅有1.1eV），讓這種新材料擁有更高的功率特性以及深紫外光電特性，同時這種材料又具有很好的熱穩(wěn)定性，因此有望基于氧化鎵材料開發(fā)出小型化、高效的、耐熱性優(yōu)良的超大功率晶體管。

張彬磊預(yù)測，氧化鎵未來的主要應(yīng)用場景：一是在輻射探測領(lǐng)域的傳感器芯片，另一個將會是在大功率和超大功率芯片方面。

池憲念則認為，氧化鎵在超寬禁帶系統(tǒng)可用的功率和電壓范圍方面會發(fā)揮重要作用。所以，電力調(diào)節(jié)和配電系統(tǒng)中的高壓整流器、電動汽車和光伏太陽能系統(tǒng)等將是氧化鎵的有利應(yīng)用場景。

目前，市場對于氧化鎵的渴望愈發(fā)強烈，NCT預(yù)測氧化鎵晶圓的市場到2030年度將擴大到約590億日元（約合4.7億美元）規(guī)模，而從市場調(diào)查公司富士經(jīng)濟對寬禁帶功率半導(dǎo)體元件的全球市場預(yù)測來看，2030年氧化鎵功率元件的市場規(guī)模將會達到1542億日元（約合12.2億美元），這個市場規(guī)模要比氮化鎵功率元件的規(guī)模（約合8.6億美元）還要大。

“實際上半導(dǎo)體新材料未來市場規(guī)模的預(yù)測必然取決于它的制造成本快速降低，氧化鎵的晶圓制備思路已經(jīng)回歸到單晶硅的制備體系軌道，再加上為了適應(yīng)新材料半導(dǎo)體架構(gòu)的適配設(shè)計，氧化鎵晶圓的市場將超出我們的想象。”李成明表示。

池憲念則更加大膽地預(yù)測，氧化鎵比起以往的電子元件更有效率，在晶圓價格方面也比碳化硅等要更為低廉。2030年氧化鎵功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將達15億美元。

作者丨許子皓

編輯丨連曉東

美編丨馬利亞