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    • 01、中国电科46所 成功制备6英寸氧化镓单晶
    • 02、氧化镓VS碳化硅
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国内第一!这颗6英寸氧化镓单晶击碎“卡脖子”

2023/03/04
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2月27日,中国电子科技集团有限公司(中国电科)宣布,近日,中国电科46所成功制备出我国首颗6英寸氧化镓单晶,达到国际最高水平。

01、中国电科46所 成功制备6英寸氧化镓单晶

氧化镓,是继Si、SiCGaN后的第四代宽禁带半导体材料,以β-Ga2O3单晶为基础材料的功率器件具有更高的击穿电压与更低的导通电阻,从而拥有更低的导通损耗和更高的功率转换效率,在功率电子器件方面具有极大的应用潜力。

但因具有高熔点、高温分解以及易开裂等特性,大尺寸氧化镓单晶制备极为困难。

中国电科46所氧化镓团队聚焦多晶面、大尺寸、高掺杂、低缺陷等方向,从大尺寸氧化镓热场设计出发,成功构建了适用于6英寸氧化镓单晶生长的热场结构,突破了 6 英寸氧化镓单晶生长技术,具有良好的结晶性能,可用于6英寸氧化镓单晶衬底片的研制,将有力支撑我国氧化镓材料实用化进程和相关产业发展。

02、氧化镓VS碳化硅

以碳化硅(SiC)为代表的宽禁带半导体材料,凭借耐高温、抗高压、开关速度快、效率高、节能、寿命长等特点,近年来被国内外相关企业持续关注和布局。

目前,宽禁带半导体发展势头正猛,超禁带半导体也悄然入局。氧化镓(Ga2O3)作为第四代半导体的代表,被视为“替代碳化硅和氮化镓”的新一代半导体材料。

氧化镓相对于碳化硅,具备超宽禁带宽度(4.2~4.9eV)、高相对介电系数、超高临界击穿场强(8MV/cm)、较短的吸收截止边及超强的透明导电性等优异的物理性能。氧化镓器件的导通特性几乎是于碳化硅的10倍,理论击穿场强是碳化硅的3倍多。

此外,它的化学和热稳定性也较为良好,同时能以比碳化硅和氮化镓更低的成本获得大尺寸、高质量、可掺杂的块状单晶。

但另一方面,氧化镓的迁移率和导热率低,不及碳化硅和氮化镓,可能受到自热效应影响,从而导致设备性能下降;氧化镓实现p型掺杂难度较大,难以制造p型半导体,成为实现高性能器件的主要障碍。

03、氧化镓成击碎“卡脖子”的新机遇?

未来,氧化镓主要应用于通信雷达、航空航天、高铁动车、新能源汽车等领域的辐射探测领域的传感器芯片,以及在大功率和超大功率芯片。

目前,各国半导体企业都在争相布局氧化镓,但均在产业化前夜。氧化镓或许可以成为突破“卡脖子”的机遇。

国际方面,日本较为领先。早在2008年,京都大学的藤田教授就发布了氧化镓深紫外线检测和SchottkyBarrier Junction、蓝宝石(Sapphire)晶圆上的外延生长(Epitaxial Growth)等研发成果。

2012年,日本率先实现2英寸氧化镓材料的突破,NCT氧化镓材料尺寸可达到6英寸;2015年,推出了高质量氧化镓单晶衬底,2016年又推出了同质外延片,此后基于氧化镓材料的器件研究成果开始爆发式出现,各国开始争相布局。

国内方面,2017年,科技部高新司从出台的重点研发计划,把“氧化镓”列入到其中;2018年,北京市科委对前沿新材料率先开展了研究工作,并且把“氧化镓”列为重点项目。

据了解,目前我国从事氧化镓材料和器件研究单位,主要是中电科46所、西安电子科技大学、山东大学、上海光机所、上海微系统所、复旦大学、南京大学等高校及科研院所;企业方面有铭镓半导体、深圳进化半导体、北京镓族科技、杭州富加镓业等。

中国电科46所分别于2016年和2018年相继制备出了国内第一片高质量的2英寸氧化镓单晶和4英寸氧化镓单晶。

2022年3月,中国电科46所再次成功研制出拥有自主知识产权的高耐压性能半导体材料——HVPE氧化镓同质外延片,填补了国内技术空白。

同年12月,铭镓半导体使用导模法成功制备了高质量4英寸(001)主面氧化镓(β-Ga2O3)单晶,完成了4英寸氧化镓晶圆衬底技术突破。(文:化合物半导体市场 Amber)

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