一文读懂氧化镓半导体
时间：2022-09-06作者：佚名
  材料特性 β-氧化镓是一种深紫外透明半导体氧化物，临界电场强度8 MV/cm，是其最大优势，它还具有4.6-4.8 eV的禁带宽度。  portant; overflow-wrap: break-word !important;">资料来源：GREGGH.JESSEN等人在2017年第75届年度设备研究会议(DRC)上发表“TOWARD REALIZATION OF portant; overflow-wrap: break-word !important;">Ga2O3 portant; overflow-wrap: break-word !important;">FOR POWER ELECTRonICS APPLICATIONS”。
氧化镓兼备高耐压，低电阻和低成本三重优势：一、氧化镓具有超宽禁带，超高击穿场强；二、氧化镓功率器件导通电阻更低，器件电能损耗更低；三、氧化镓单晶可通过熔融法实现，单晶衬底成本更低。其弱点在于导热率低，散热难；p型掺杂难度较大。
此外，氧化镓薄膜对应的吸收波长为253nm，处在太阳光盲区（240-280 nm）波段中，因此是制备太阳光盲深紫外探测器的理想材料。 因此，氧化镓在日盲紫外（200-300 nm波段）器件和超高功率（1-10 kW）电力电子器件方面有着无法取代的应用价值。 发展历程
氧化镓晶体生长研究可以追溯到上世纪60年代，到2008年日本并木精密宝石有限公司的H.Aida等人成功生长出２英寸的portant; overflow-wrap: break-word !important;">β-Ga2O3单晶。日本田村公司（Tamura Corporation）实现了２英寸晶圆的产业化，目前已经可以生长获得６英寸的晶体。 此外，德国莱布尼兹晶体生长研究所、美国空军实验室及Notthrop Grumman公司也通过提拉法生长获得了２英寸晶体。  portant; overflow-wrap: break-word !important;">β-Ga2O3portant; overflow-wrap: break-word !important;">晶体生长发展历程
日本在氧化镓研究上是比较超前的。2012年日本报道了第一颗氧化镓功率器件，2015年推出了高质量氧化镓单晶衬底、2016年推出了同质外延片。 日本氧化镓研发的中坚企业是2011年京都大学投资成立的公司“FLOSFIA”，和2015年日本情报通信研究机构（NICT）与田村制作所合作投资成立的氧化镓产业化企业“Novel Crystal Technology”，简称“NCT”。  β- Ga2O3单晶、外延、器件发展时间线
资料来源：《超宽禁带半导体β- Ga2O3相关研究进展》，王新月等
氧化镓应用领域包括： 透明导电氧化物薄膜 氧化镓晶体化学性质稳定，不易被腐蚀，机械强度高，高温下性能稳定，有高的可见光和紫外光的透明度，尤其是其在紫外和蓝光区域透明，这是传统的透明导电材料所不具备的，因portant; overflow-wrap: break-word !important;">此β-Ga2O3单晶可以成为新一代透明导电材料，在太阳能电池、平板显示技术上得到应用。 由于氧化镓高温下性能稳定，有高的可见光和紫外光的透明度，尤其是在紫外和蓝光区域透明，因此日盲紫外探测器是目前氧化镓比较确定的一条应用路线。 功率电子 氧化镓portant; overflow-wrap: break-word !important;">功portant; overflow-wrap: break-word !important;">率器件跟氮化镓、碳化硅有部分重合，在军民应用领域有广泛的应用前景。在军用领域可用于高功率电磁炮、坦克战斗机舰艇等电源控制系统以及抗辐照、耐高温宇航用电源等，可大幅降低武器装备系统损耗，减小热冷系统体积和重量，满足军事应用部件对小型化、轻量化、快速化与抗辐照耐高温的要求；在民用领域可用于电网、电力牵引、光伏、电动汽车、家用电器、医疗设备和消费类电子等领域，能够实现更大的节能减排。 衬底材料 氧化镓能通过提拉法快速制备，是一种有潜力的衬底材料，可用来制备大功率GaN基LED，也可以利用同质外延制备新型氧化镓基功率电子器件。 制造工艺 portant; overflow-wrap: break-word !important;">β-氧化镓的生长分为衬底材料的生长和薄膜的生长。 β-氧化镓单晶衬底材料的生长方法有升华法，提拉法（熔体法）和HVPE等。 portant; overflow-wrap: break-word !important;">β-氧化镓单晶薄膜的生长技术有金属有机气相沉积法(MOCVD)和分子束外延法（MBE），其中MOCVD法质量较高，可实现多片快速生长，适用于工业化生产，生长采用的金属有机源为三甲基镓，氧源为高纯氧气，生长温度为550-700摄氏度。 良率低、成本高、制备方法尚待优化 氧化镓产业化的第一个难点在于材料制备，氧化镓大尺寸单晶生长制备难度大。大尺寸高质量的β-氧化镓晶圆生产同第三代半导体材料一样需要高温。β-氧化镓单晶熔点达 1820 ℃，高温生长过程中极易分解挥发，容易产生大量的氧空位，进而造成镶嵌结构、螺旋位错等缺陷，此外高温下分解生成的 GaO 、 Ga2O 和 Ga 等气体会严重腐蚀铱金坩埚。因此相较于GaN和SiC，氧化镓半导体生长需要定制的MOCVD和HVPE设备。 日本企业 NCT作为氧化镓晶体研发领域的先驱，采用导模法成功生长最大 6 英寸氧化镓单晶，而其它方法仍然无法制造产业所需的大尺寸衬底。但导模法制造的氧化镓在制造过程中需要使用贵金属铱（Ir）的坩埚，每克铱的价格高达上千元，约是黄金价格的 3-5 倍。 产业现状 从全球范围来看，对于第四代半导体氧化镓的研究，以日本最为领先。早在2012年，日本便获得2英寸氧化镓材料，并于2014年实现了批量产业化，随后又实现了4英寸氧化镓材料的突破及产业化。 目前，日本企业NCT正联合村田制作所、三菱电机、日本电装和富士电机等科技巨头，以及东京农工大学、京都大学和日本国家信息与通信研究院等科研机构，推动氧化镓单晶及衬底材料以及下游功率器件的产业化发展。 此外，美国的空军研究实验室、海军实验室和宇航局、德国的莱布尼茨晶体生长研究所，以及法国圣戈班等都已加入氧化镓材料及器件研发的浪潮中。国内外氧化镓相关产品仅有衬底和外延片，大电流和高压器件、模块正在开发中。目前有多所高校、科研院所和科技企业开展氧化镓的相关研究。国内氧化镓材料研究以山东大学、中国电科四十六所、中科院上海光机所、北京镓族科技（北京铭镓半导体、北京镓和半导体）、杭州富加镓业等单位为主。外延研究以中国电科四十六所、中国科学技术大学、南京大学等单位为主。器件方面研究以西安电子科技大学、中国电科十三所、中国科学技术大学、南京大学、中山大学等单位为主。 推动氧化镓的产业发展需要促进衬底、外延、器件、电路产业链全面发展。氧化镓可以应用于光电探测器，功率器件等领域，目前约80%的研究机构朝着功率器件的方向努力。但由于氧化镓材料适用于高功率领域，这就意味着其下游应用不能从消费电子开始，而需要从工业领域、新能源汽车等领域缓慢导入。因此氧化镓下游应用还需时间。 目前氧化镓单晶衬底供应方面，日本NCT公司占有全球90%以上的市场份额。据NCT预测，到2030年氧化镓晶圆的市场将达到约590亿日元（约4.2亿美元）。有数据显示，到2030年，氧化镓功率半导体市场规模将达15亿美元。 器件方面，氧化镓功率电子器件制备面对p型掺杂的缺失和导热性差两个关键问题，目前仍处于研究开发阶段。日本Flosfia公司提出到 2023 年夏季实现每月数十万只新能源车用氧化镓功率器件的生产能力，实现 1000 亿日元（约7.32 亿美元）销售额的目标。 |
