氧化鎵：第四代半導體材料走進風口
氧化鎵：第四代半導體材料走進風口
后摩爾時代，業界開始了對新架構、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、高頻等應用場景中逐漸展露廣闊的市場發展潛力。事實上，在材料技術領域，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、氮化鎵器件的技術和應用最為成熟，且在功率和射頻應用領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，成為半導體材料領域新的發展方向之一。
在半導體材料領域，從硅、鍺到砷化鎵、銻化銦，從碳化硅、氮化鎵到如今的氧化鎵，業界對于材料技術的研究從未止步。近日，日本東北大學吉川彰聯合初創企業C&A共同開發了全新的氧化鎵制備技術，成本直接降至傳統方案的百分之一。成本的降低也意味著，氧化鎵半導體器件的產業化將進一步加速。
競逐涌入的玩家們
對于氧化鎵器件的開發可以追溯到2012年，日本國家信息與通信技術研究所（NICT）發表了首個單晶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，隨后于2014年該公司又實現了氧化鎵材料的量產，于2021年成功完成了4英寸氧化鎵晶圓量產。
日本FLOSFIA也在氧化鎵材料方面取得不少進展。2017年高公司實現了低成本α-氧化鎵材料的突破，2018年實現了α-氧化鎵外延材料的量產。日本田村于2019 年實現4英吋氧化鎵的批量產業化，同年該公司還突破了6英寸氧化鎵材料技術。
在國內市場，鎵族科技、富加鎵業、銘鎵半導體、進化半導體、中電46所等企業也紛紛涌入氧化鎵基礎材料領域。此外，數十家高校院所積極展開氧化鎵項目的研發工作，積累了豐富的技術成果。隨著市場需求持續旺盛，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用前景，紛紛涌入氧化鎵材料領域。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，而功率轉換效率更高。此外，氧化鎵材料還擁有更高的熱穩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，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構。
傳統上，氧化鎵制備需要配備貴金屬銥容器來加熱熔化原材料，從而產生氧化鎵結晶。拋開結晶質量不穩定等問題，制造直徑為15厘米的氧化鎵結晶，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，突破應用瓶頸
氧化鎵性能優勢顯著，但仍存在明顯短板和應用瓶頸。其中，導熱系數不高和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的半導體器件存在著很大的散熱難題，業界也一直在尋求更好的方法去優化和改善這一問題。
據IEEE發表文章介紹，提高器件熱阻，或將熱量分流到散熱器都可以克服器件的散熱問題。對于前者，日本國家信息與通信技術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填料，將熱量分流到了散熱器。從國內技術來看，西安電子科技大學的韓根全教授團隊也發布了一種通過剝離技術將氧化鎵剝離，并鍵合在導熱系數優良的材料上進行后端器件加工的散熱方法。
現階段，氧化鎵材料及應用技術仍處于研發階段，上下游市場相關配套設施還不完善，且尚未形成完整可控的產業鏈。但業界已然看到氧化鎵的發展潛力，并積極展開產業布局和生態建設。據日本NCT公司預測，氧化鎵晶圓市場將在未來十年內放量上漲，截至2030年，氧化鎵晶圓市場將增長至30.2億元。而市場調查公司富士經濟也表示，2030年氧化鎵功率元件市場規模將突破78.8億元。
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