一文了解第四代半导体材料氧化镓(Ga2O3)
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随着量子信息、人工智能等高新技术的发展，半导体新体系及其微电子等多功能器件技术也在更新迭代。虽然前三代半导体技术持续发展，但也已经逐渐呈现出无法满足新需求的问题，特别是难以同时满足高性能、低成本的要求。在此背景下，人们将目光开始转向拥有小体积、低功耗等优势的第四代半导体。第四代半导体具有优异的物理化学特性、良好的导电性以及发光性能，在功率半导体器件、紫外探测器、气体传感器以及光电子器件领域具有广阔的应用前景。 x2147483647*quality=80*type=jpg" style="box-sizing: inherit; border: 0px; max-width: 100%; margin-bottom: 10px;" alt="" /> 2、半导体材料的发展历程 第一代半导体材料：以硅(Si)、锗(Ge)为代表 第一代的半导体材料以硅材料为主占绝对的统治地位。目前，半导体器件和集成电路仍然主要是用硅晶体材料制造的，硅器件构成了全球销售的所有半导体产品的95％以上。第一代半导体应用场景十分广泛，从尖端的CPU、GPU、存储芯片，再到各种充电器中的功率器件都可以做。虽然在某些领域的性能方面表现不佳，但还有性价比助其占据市场。
目前具有发展潜力成为第四代半导体技术的主要材料体系主要包括：窄带隙的锑化镓、铟化砷化合物半导体；超宽带隙的氧化物材料；其他各类低维材料如碳基纳米材料、二维原子晶体材料等。
x2147483647*quality=80*type=jpg" style="box-sizing: inherit; border: 0px; max-width: 100%; margin-bottom: 10px;" alt="" /> 图1 半导体材料发展历程 3、氧化镓材料的特性与对比 3 . 1 Ga2O3材料特点 Ga2O3是一种直接带隙的半导体材料，禁带宽度约为4.9eV(不同晶体结构，不同取向等因素，禁带宽度会有所差别)，由于其禁带宽度远大于SiC和GaN，所以被称为超宽禁带半导体材料。Ga2O3的击穿场强理论上可以达到8MV/cm，是GaN的2.5倍，是SiC的3倍多；另外，Ga2O3具有良好的化学和热稳定性，成本低，制备方法简便、便于批量生产，在产业化方面优势明显。 x2147483647*quality=80*type=jpg" style="box-sizing: inherit; border: 0px; max-width: 100%; margin-bottom: 10px;" alt="" /> 图2 β相氧化镓晶体结构 Ga2O3具有5种同分异构体，包括α、β、γ、δ和ε。在这些同分异构体中，β相Ga2O3最稳定，其他几种为亚稳定，这些亚稳定相可以在一定的温度下发生相变，转变为β相Ga2O3。在这些相中，α相Ga2O3为三方晶系，空间群是R-3c，晶格常数是a=b=4.98A0，c=13.43 A0，α=β=900，γ=1200 ；β相Ga2O3为单斜结构，空间群为C2/m，晶格常数是a=12.23 A0，b=3.04 A0，c=5.80 A0，α=β=900，γ=103.820；γ相Ga2O3为立方晶系，ε相Ga2O3是目前争论最多的同分异构体，比较认可的结构为六角晶系，δ相Ga2O3是目前为止研究和报道最少的同分异构体，其晶体结构属于立方晶系。
第四代之超宽禁带氧化镓（Ga2O3）和钻石等新一代材料，特别是Ga2O3 因其基板制作相较于SiC与GaN更容易，又因为其超宽禁带的特性，使材料所能承受更高电压的崩溃电压和临界电场，使其在超高功率元件之应用极具潜力。 x2147483647*quality=80*type=jpg" style="box-sizing: inherit; border: 0px; max-width: 100%; margin-bottom: 10px;" alt="" /> （a） （b） 图3（a）为现今常用之半导体材料所适用之频率与工作功率范围，（b）为现今常用之半导体材料其对应之能隙与崩溃电场。可发现 Ga2O3 应用之功率范围高达 1 kW-10 kW。 x2147483647*quality=80*type=jpg" style="box-sizing: inherit; border: 0px; max-width: 100%; margin-bottom: 10px;" alt="" /> 图4 半导体材料特性 相关统计数据显示，从数据上看，氧化镓的损耗理论上是硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化镓的1/3，即在SiC比Si已经降低86%损耗的基础上，再降低86%的损耗，这让产业界人士对其未来有很高的期待。 此外，GaO材料的缺陷密度比SiC和GaN材料低至少3个数量级，这在芯片加工中可以规避很多问题，而且由于是同质外延，器件不会像GaN一样出现晶格失配问题。 而成本更是让其成为一个吸引产业关注的另一个重要因素。从同样基于6英寸衬底的最终器件的成本构成来看，基于GaO材料的器件成本为195美金，是SiC材料器件成本的约五分之一，已与硅基产品的成本所差无几。 GaO和蓝宝石一样，可以从溶液状态转化成块状(Bulk)单结晶状态。实际上，通过运用与蓝宝石晶圆生产技术相同的导模法EFG(Edge-definedFilm-fed Growth)，日本NCT已试做出最大直径为6英寸(150mm)的晶圆，直径为2英寸(50mm)的晶圆已经开始销售作研究开发方向的用途。这种工艺的特点是良品率高、成本低廉、生长速度快、生长晶体尺寸大。 另一家Flosfia使用的“雾化法”已制作出4英寸(100mm)的α相晶圆，成本已接近于硅。而碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)材料目前只能使用“气相法”进行制备，未来成本也将继续受到衬底高成本的阻碍而难以大幅度下降。对于Ga2O3来说，高质量与大尺寸的天然衬底，相对于目前采用的宽禁带SiC与GaN技术，将具备独特且显著的成本优势。 x2147483647*quality=80*type=jpg" style="box-sizing: inherit; border: 0px; max-width: 100%; margin-bottom: 10px;" alt="" /> 图5 GaO与SiC成本对比（EE POWER） Ga2O3材料尺寸发展快速，短短几年时间已经追上了SiC和GaN当前最大尺寸，在量产经济性上已经达到了标准，同等加工能力的晶圆加工产线可以实现同等甚至更大规模的产量。而且，Ga2O3成本极低，这就可以让器件研发成本更低、可以有充分的试错空间，使开发和应用都更有效率。 |
