文︱郭紫文

图︱网络

 

后摩尔时代,业界开始了对新架构、新工艺、新材料的全面探索,以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体脱颖而出,在高压、高温、高频等应用场景中逐渐展露广阔的市场发展潜力。事实上,在材料技术领域,禁带宽度很大程度上决定了材料特性。禁带越宽,电子跃迁到导带所需的能量越大,材料能承受的温度和电压越高。

 

从定义上看,宽禁带半导体是指禁带宽度大于或等于2.3eV的半导体材料。其中,以碳化硅、氮化镓器件的技术和应用最为成熟,且在功率和射频应用领域逐步完成了对硅基半导体器件的初步替代。然而,近年来,提到宽禁带半导体,氧化镓(Ga2O3)逐渐走进人们的视线,成为半导体材料领域新的发展方向之一。

 

在半导体材料领域,从硅、锗到砷化镓、锑化铟,从碳化硅、氮化镓到如今的氧化镓,业界对于材料技术的研究从未止步。近日,日本东北大学吉川彰联合初创企业C&A共同开发了全新的氧化镓制备技术,成本直接降至传统方案的百分之一。成本的降低也意味着,氧化镓半导体器件的产业化将进一步加速。

 

竞逐涌入的玩家们

 

对于氧化镓器件的开发可以追溯到2012年,日本国家信息与通信技术研究所(NICT)发表了首个单晶β-氧化镓晶体管,击穿电压大于250V。也是在这一年,日本NCT公司突破了2英寸氧化镓晶体与外延技术,随后于2014年该公司又实现了氧化镓材料的量产,于2021年成功完成了4英寸氧化镓晶圆量产。

 

日本FLOSFIA也在氧化镓材料方面取得不少进展。2017年高公司实现了低成本α-氧化镓材料的突破,2018年实现了α-氧化镓外延材料的量产。日本田村于2019 年实现4英吋氧化镓的批量产业化,同年该公司还突破了6英寸氧化镓材料技术。

 

在国内市场,镓族科技、富加镓业、铭镓半导体、进化半导体、中电46所等企业也纷纷涌入氧化镓基础材料领域。此外,数十家高校院所积极展开氧化镓项目的研发工作,积累了丰富的技术成果。随着市场需求持续旺盛,这些科研成果有望逐步落地。

 

远超其他材料的禁带宽度

 

如前面所述,半导体市场早已嗅到氧化镓材料广阔的应用前景,纷纷涌入氧化镓材料领域。在材料特性方面,氧化镓禁带宽度高达4.9eV,远远高于碳化硅(3.26eV)与氮化镓(3.4eV)等半导体材料。与硅(1.1eV)相比,氧化镓的禁带宽度更是前者的4.5倍。

 

从功率半导体特性来看,与前代半导体材料相比,氧化镓材料具备更高的击穿电场强度与更低的导通电阻,从而能量损耗更低,而功率转换效率更高。此外,氧化镓材料还拥有更高的热稳定性与深紫外光电特性。

 

图:半导体材料特性(图源:IEEE)

 

在氧化镓材料制备中,可通过掺杂电荷载流子提高氧化镓材料的导电性。在掺杂过程中,还可向晶体添加定量杂质,从而控制半导体电荷载流子浓度。详细来说,即可以利用离子注入、退火等工艺,在晶体中添加或消除自由电子,进而使电荷可以自由移动。另一方,在离子注入和外延生长期间,氧化镓材料能够更精确地定义晶体管尺寸,并生成各种器件拓扑结构

 

传统上,氧化镓制备需要配备贵金属铱容器来加热熔化原材料,从而产生氧化镓结晶。抛开结晶质量不稳定等问题,制造直径为15厘米的氧化镓结晶,仅容器成本就高达153万到256万元。最新研究表明,以水冷后的铜质容器替代贵金属铱容器,同时将电磁波频率提高100倍,即可熔化得到约5厘米氧化镓结晶,极大地降低了制造成本,提高了成品率。

 

仍需补齐短板,突破应用瓶颈

 

氧化镓性能优势显著,但仍存在明显短板和应用瓶颈。其中,导热系数不高和P型掺杂难题是氧化镓的两大弱点。氧化镓热导率仅为碳化硅的十分之一,是硅的五分之一。这也就意味着以氧化镓为材料基础的半导体器件存在着很大的散热难题,业界也一直在寻求更好的方法去优化和改善这一问题。

 

据IEEE发表文章介绍,提高器件热阻,或将热量分流到散热器都可以克服器件的散热问题。对于前者,日本国家信息与通信技术研究所东京实验室已有成果,通过将p型多晶碳化硅粘合到了薄约10微米的氧化镓晶圆的背面,即可提高器件热阻。而对于集中热量的器件而言,美国空军研究实验室的研究人员通过模拟接触电极和使用介质填料,将热量分流到了散热器。从国内技术来看,西安电子科技大学的韩根全教授团队也发布了一种通过剥离技术将氧化镓剥离,并键合在导热系数优良的材料上进行后端器件加工的散热方法。

 

现阶段,氧化镓材料及应用技术仍处于研发阶段,上下游市场相关配套设施还不完善,且尚未形成完整可控的产业链。但业界已然看到氧化镓的发展潜力,并积极展开产业布局和生态建设。据日本NCT公司预测,氧化镓晶圆市场将在未来十年内放量上涨,截至2030年,氧化镓晶圆市场将增长至30.2亿元。而市场调查公司富士经济也表示,2030年氧化镓功率元件市场规模将突破78.8亿元。