新型寬禁帶半導體-氧化鎵

印寧華|印寧華|Indining China|

2022-07-05 18:36:45 10

技術日新月異, 第三代寬禁帶半導體技術及制造工藝發展還沒有多少年, 源起于日本的氧化鎵被譽為第四代半導體技術已開始國內市場發育.

與SiC和GaN相比，β-Ga2O3有望以低成本制造出高耐壓且低損失的功率半導體元件，因而引起了極大關注。契機源于日本信息通信研究機構等的研究小組開發出的β-Ga2O3晶體管。

氧化鎵的別名是三氧化二鎵，氧化鎵（Ga2O3）是一種寬禁帶半導體，也是一種透明的氧化物半導體材料，在光電子器件方面有廣闊的應用前景，被用作于鎵基半導體材料的絕緣層，以及紫外線濾光片。
據市場調查公司富士經濟于2019年6月5日公布的Wide Gap 功率半導體元件的全球市場預測來看，2030年氧化鎵功率元件的市場規模將會達到1542億日元（約人民幣92.76億元），這個市場規模要比氮化鎵功率元件的規模（1085億日元，約人民幣65.1億元）還要大。
Novel Crystal Technology這次量產的新一代晶圓可以使用原有100mm晶圓的設備制造新一代產品，有效保護了企業的投資，預計2021年內開始供應晶圓。資料顯示，Novel Crystal Technology公司由日本電子零部件企業田村制作所和AGC等出資成立，主要研發、生產新一代半導體技術。

中文名稱: 氧化鎵 99.99%-99.999% 100目、200目

中文別名:三氧化二鎵分子式:Ga2O3 密度:5.88
水溶性:Insoluble in water 外觀白色無臭粉末
用途:用作半導體材料,光譜分析中用于測定鈾中雜質

在IEEE SPECTRUM中文版《科技縱覽》2002年5月刊中，已故的萊斯特?F.伊斯曼（Lester F. East-man）和烏梅什?K. 米什拉（Umesh K.Mishra）談到了當時功率半導體界的一項大膽技術：氮化鎵（GaN）。對于強大耐用的射頻放大器在當時新興的寬帶無線網絡、雷達以及電網功率切換應用中的使用前景，他們表達了樂觀的看法。他們稱氮化鎵器件為“迄今為止最堅固耐用的晶體管”。

伊斯曼和米什拉是對的。氮化鎵的寬帶隙（使束縛電子自由斷裂并有助于傳導的能量）和其他性質讓我們能夠利用這種材料承受高電場的能力，制造性能空前的器件。

如今，氮化鎵是固態射頻功率應用領域無可爭議的*。它已經在雷達和5G無線技術中得到了應用，很快將在電動汽車的逆變器中普及。你甚至可以買到基于氮化鎵的USB壁式充電器，它們體積小且功率非常高。

不過，還有比它更好的東西嗎？有能讓射頻放大器變得更強大更高效的裝置嗎？有能讓電力電子設備體積變得更小，讓飛機和汽車上使用的電子設備更輕、更小的裝置嗎？我們能找到帶隙更大的導電材料嗎？

是的，我們可以。事實上，許多材料都有更大的帶隙，但量子力學的獨特性意味著，幾乎所有這些材料都不能用作半導體。不過，透明導電氧化物氧化鎵（Ga2O3）是一個特例。這種晶體的帶隙近5電子伏特，如果說氮化鎵（3.4eV）與它的差距為1英里，那么硅（1.1eV）與它的差距則好比一個馬拉松。金剛石和氮化鋁的帶隙更大，但它們不具備氧化鎵所具備的幸運特性，氧化鎵有助于制造價格低廉但功能強大的器件。

擊穿電場強度大帶隙越大，擊穿電場強度就越大。β-Ga2O3的擊穿電場強度為推測值。

一種材料僅僅有寬帶隙是不夠的。所有的電介質和陶瓷都有寬帶隙，否則它們就不會被用作絕緣體了，而氧化鎵有一組獨特的特性，它可以作為功率切換和射頻電子器件的半導體從而發揮巨大作用。

它的特點之一是，通過摻雜的方法，可以在氧化鎵中加入電荷載流子，使其更具導電性。摻雜包括向晶體添加一定量的雜質，以控制半導體中載流子的濃度。對于硅，可以使用離子注入法，然后退火處理，在晶體中摻雜磷（以添加自由電子）或硼（以減去自由電子），從而使電荷能夠自由移動。對于氧化鎵，可以用同樣的方法在晶體中摻雜硅來添加電子。如果在任何其他寬帶隙氧化物中這樣做，結果可能是破碎的晶體和晶格斑點，這樣的話電荷會被卡住。

氧化鎵能夠適應通過“離子注入”標準工藝添加以及外延生長（沉積額外的晶體）過程中添加的摻雜劑，因此我們能夠借用各種各樣的既有商業光刻和加工技術。借助這些方法，精確定義幾十納米的晶體管尺寸和產生各種各樣的器件拓撲結構變得相對簡單。其他寬帶隙的半導體材料不具備這種難以置信的有用特性，甚至氮化鎵也不例外。

這與其他寬帶隙半導體的區別，怎么夸張都不過分。除碳化硅（SiC）以外，其他所有新興寬帶隙半導體根本沒有大尺寸半導體基底可供生長大晶體。這意味著它們必須生長在另一種材料盤中，而這是有代價的。例如，氮化鎵通常依靠復雜的工藝在硅、碳化硅或藍寶石基底上生長。不過，這些基底的晶體結構明顯不同于氮化鎵的晶體結構，這種差異會造成基底和氮化鎵之間的“晶格失配”，從而產生大量缺陷。這些缺陷會給生產的設備帶來一系列問題。氧化鎵由于作為自己的基底，所以不存在不匹配的情況，也就沒有缺陷。

那么，氧化鎵有什么缺點？這種材料的致命弱點在于它的導熱性不佳。事實上，在所有可用于射頻放大或功率切換的半導體中，它的導熱性最差。氧化鎵的熱導率只有金剛石的1/60，碳化硅（高性能射頻氮化鎵的基底）的1/10，約為硅的1/5。（有趣的是，它可以媲美主要射頻材料砷化鎵。）低熱導率意味著晶體管中產生的熱量可能會停留，有可能極大地限制器件的壽命。

不過，在放棄它之前，需要考慮以下問題：由于材料會對器件產生影響，因此要得到有關其熱導率的真實同類比較結果，我們需要將它標準化為材料處理功率的能力。換言之，要除以Ec才能準確比較實際器件中的預期熱問題。由此我們會發現，每種帶隙比硅大的半導體（甚至是金剛石）在充分發揮其潛能時，都有散熱問題。雖然這一事實對氧化鎵而言于事無補，但它能推動我們努力尋找更好的散熱方法。

美國空軍研究實驗室的研究人員發現，在某些器件的拓撲結構中，幾乎所有的熱量都是在材料頂部1微米處產生的，因此他們模擬了接觸電極和使用介質填料將熱量分流到散熱器的效果，并取得了較好的結果。這也是目前商用砷化鎵異質結雙極晶體管中使用的辦法。因此，盡管氧化鎵存在熱量方面的挑戰，但聰明的工程設計能夠克服該問題。

采用了鉆石基材散熱的GaN內部工藝剖析

另一個更基本的問題是，我們只能讓氧化鎵傳導電子而不能實現空穴導電。從來沒有人能用氧化鎵制造*的p 型導體。此外，令人沮喪的是，這種材料的基本電子特性使其在這方面希望渺茫。特別是，這種材料的能帶結構的價帶部分不具有空穴傳導的形狀。因此，即使有一種摻雜劑能使受體處于正確能級，所產生的空穴也會在它幫助傳導之前困住自己。理論和數據如此一致時，很難找到辦法解決這個問題。

當然，在發展的道路上我們會打破一些東西（主要是電介質），但這就是顛覆性技術的定義。我們用已知的東西來換取潛在的性能，而目前，氧化鎵的性能潛力遠遠大于其問題。

結語: 半導體材料位于產業鏈的上游，國內根據材料劃分為*代的硅，第二代的砷化鎵和磷化銦，第三代的碳化硅和氮化鎵。業內普遍認為，氧化鎵將有望成為新一代半導體材料的代表。和前幾代材料相比，氧化鎵具有更優良的化學和熱穩定性、更低的成本價格、更高質量合成和更短的產業化優勢，在大功率、抗輻射電子器件領域有廣泛的應用前景, 在功率器件上，氧化鎵比碳化硅等材料更耐壓、成本更低，效率更高。

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