氧化鎵：第四代半導體材料走進風口

文︱郭紫文

圖︱網(wǎng)絡(luò)

后摩爾時代，業(yè)界開始了對新架構(gòu)、新工藝、新材料的全面探索，以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導體脫穎而出，在高壓、高溫、高頻等應(yīng)用場景中逐漸展露廣闊的市場發(fā)展?jié)摿ΑＪ聦嵣?，在材料技術(shù)領(lǐng)域，禁帶寬度很大程度上決定了材料特性。禁帶越寬，電子躍遷到導帶所需的能量越大，材料能承受的溫度和電壓越高。

從定義上看，寬禁帶半導體是指禁帶寬度大于或等于2.3eV的半導體材料。其中，以碳化硅、氮化鎵器件的技術(shù)和應(yīng)用最為成熟，且在功率和射頻應(yīng)用領(lǐng)域逐步完成了對硅基半導體器件的初步替代。然而，近年來，提到寬禁帶半導體，氧化鎵（Ga2O3）逐漸走進人們的視線，成為半導體材料領(lǐng)域新的發(fā)展方向之一。

在半導體材料領(lǐng)域，從硅、鍺到砷化鎵、銻化銦，從碳化硅、氮化鎵到如今的氧化鎵，業(yè)界對于材料技術(shù)的研究從未止步。近日，日本東北大學吉川彰聯(lián)合初創(chuàng)企業(yè)C&A共同開發(fā)了全新的氧化鎵制備技術(shù)，成本直接降至傳統(tǒng)方案的百分之一。成本的降低也意味著，氧化鎵半導體器件的產(chǎn)業(yè)化將進一步加速。

競逐涌入的玩家們

對于氧化鎵器件的開發(fā)可以追溯到2012年，日本國家信息與通信技術(shù)研究所（NICT）發(fā)表了首個單晶β-氧化鎵晶體管，擊穿電壓大于250V。也是在這一年，日本NCT公司突破了2英寸氧化鎵晶體與外延技術(shù)，隨后于2014年該公司又實現(xiàn)了氧化鎵材料的量產(chǎn)，于2021年成功完成了4英寸氧化鎵晶圓量產(chǎn)。

日本FLOSFIA也在氧化鎵材料方面取得不少進展。2017年高公司實現(xiàn)了低成本α-氧化鎵材料的突破，2018年實現(xiàn)了α-氧化鎵外延材料的量產(chǎn)。日本田村于2019 年實現(xiàn)4英吋氧化鎵的批量產(chǎn)業(yè)化，同年該公司還突破了6英寸氧化鎵材料技術(shù)。

在國內(nèi)市場，鎵族科技、富加鎵業(yè)、銘鎵半導體、進化半導體、中電46所等企業(yè)也紛紛涌入氧化鎵基礎(chǔ)材料領(lǐng)域。此外，數(shù)十家高校院所積極展開氧化鎵項目的研發(fā)工作，積累了豐富的技術(shù)成果。隨著市場需求持續(xù)旺盛，這些科研成果有望逐步落地。

遠超其他材料的禁帶寬度

如前面所述，半導體市場早已嗅到氧化鎵材料廣闊的應(yīng)用前景，紛紛涌入氧化鎵材料領(lǐng)域。在材料特性方面，氧化鎵禁帶寬度高達4.9eV，遠遠高于碳化硅（3.26eV）與氮化鎵（3.4eV）等半導體材料。與硅（1.1eV）相比，氧化鎵的禁帶寬度更是前者的4.5倍。

從功率半導體特性來看，與前代半導體材料相比，氧化鎵材料具備更高的擊穿電場強度與更低的導通電阻，從而能量損耗更低，而功率轉(zhuǎn)換效率更高。此外，氧化鎵材料還擁有更高的熱穩(wěn)定性與深紫外光電特性。

圖：半導體材料特性（圖源：IEEE）

在氧化鎵材料制備中，可通過摻雜電荷載流子提高氧化鎵材料的導電性。在摻雜過程中，還可向晶體添加定量雜質(zhì)，從而控制半導體電荷載流子濃度。詳細來說，即可以利用離子注入、退火等工藝，在晶體中添加或消除自由電子，進而使電荷可以自由移動。另一方，在離子注入和外延生長期間，氧化鎵材料能夠更精確地定義晶體管尺寸，并生成各種器件拓撲結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)上，氧化鎵制備需要配備貴金屬銥容器來加熱熔化原材料，從而產(chǎn)生氧化鎵結(jié)晶。拋開結(jié)晶質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，制造直徑為15厘米的氧化鎵結(jié)晶，僅容器成本就高達153萬到256萬元。最新研究表明，以水冷后的銅質(zhì)容器替代貴金屬銥容器，同時將電磁波頻率提高100倍，即可熔化得到約5厘米氧化鎵結(jié)晶，極大地降低了制造成本，提高了成品率。

仍需補齊短板，突破應(yīng)用瓶頸

氧化鎵性能優(yōu)勢顯著，但仍存在明顯短板和應(yīng)用瓶頸。其中，導熱系數(shù)不高和P型摻雜難題是氧化鎵的兩大弱點。氧化鎵熱導率僅為碳化硅的十分之一，是硅的五分之一。這也就意味著以氧化鎵為材料基礎(chǔ)的半導體器件存在著很大的散熱難題，業(yè)界也一直在尋求更好的方法去優(yōu)化和改善這一問題。

據(jù)IEEE發(fā)表文章介紹，提高器件熱阻，或?qū)崃糠至鞯缴崞鞫伎梢钥朔骷纳釂栴}。對于前者，日本國家信息與通信技術(shù)研究所東京實驗室已有成果，通過將p型多晶碳化硅粘合到了薄約10微米的氧化鎵晶圓的背面，即可提高器件熱阻。而對于集中熱量的器件而言，美國空軍研究實驗室的研究人員通過模擬接觸電極和使用介質(zhì)填料，將熱量分流到了散熱器。從國內(nèi)技術(shù)來看，西安電子科技大學的韓根全教授團隊也發(fā)布了一種通過剝離技術(shù)將氧化鎵剝離，并鍵合在導熱系數(shù)優(yōu)良的材料上進行后端器件加工的散熱方法。

現(xiàn)階段，氧化鎵材料及應(yīng)用技術(shù)仍處于研發(fā)階段，上下游市場相關(guān)配套設(shè)施還不完善，且尚未形成完整可控的產(chǎn)業(yè)鏈。但業(yè)界已然看到氧化鎵的發(fā)展?jié)摿Γ⒎e極展開產(chǎn)業(yè)布局和生態(tài)建設(shè)。據(jù)日本NCT公司預(yù)測，氧化鎵晶圓市場將在未來十年內(nèi)放量上漲，截至2030年，氧化鎵晶圓市場將增長至30.2億元。而市場調(diào)查公司富士經(jīng)濟也表示，2030年氧化鎵功率元件市場規(guī)模將突破78.8億元。