近來，氧化鎵(Ga2O3)作為一種“超寬禁帶半導(dǎo)體”材料，得到了持續(xù)關(guān)注。超寬禁帶半導(dǎo)體也屬于“第四代半導(dǎo)體”，與第三代半導(dǎo)體碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)相比，氧化鎵的禁帶寬度達(dá)到了4.9eV，高于碳化硅的3.2eV和氮化鎵的3.39eV，更寬的禁帶寬度意味著電子需要更多的能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，因此氧化鎵具有耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻照等特性。并且，在同等規(guī)格下，寬禁帶材料可以制造die size更小、功率密度更高的器件，節(jié)省配套散熱和晶圓面積，進(jìn)一步降低成本。
第一代半導(dǎo)體指硅(Si)、鍺(Ge)等元素半導(dǎo)體材料；第二代半導(dǎo)體指砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等具有較高遷移率的半導(dǎo)體材料；第三代半導(dǎo)體指碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導(dǎo)體材料；第四代半導(dǎo)體指氧化鎵(Ga2O3)、金剛石(C)、氮化鋁(AlN)等超寬禁帶半導(dǎo)體材料，以及銻化鎵(GaSb)、銻化銦(InSb)等超窄禁帶半導(dǎo)體材料。第四代超寬禁帶材料在應(yīng)用方面與第三代半導(dǎo)體材料有交疊，主要在功率器件領(lǐng)域有更突出的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。第四代超窄禁帶材料的電子容易被激發(fā)躍遷、遷移率高，主要應(yīng)用于紅外探測(cè)、激光器等領(lǐng)域。第四代半導(dǎo)體全部在我國(guó)科技部的“戰(zhàn)略性電子材料”名單中，很多規(guī)格國(guó)外禁運(yùn)、國(guó)內(nèi)也禁止出口，是全球半導(dǎo)體技術(shù)爭(zhēng)搶的高地。第四代半導(dǎo)體核心難點(diǎn)在材料制備，材料端的突破將獲得極大的市場(chǎng)價(jià)值。
1.2 氧化鎵的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)
氧化鎵有5種同素異形體，分別為α、β、γ、ε和δ。其中β-Ga2O3（β相氧化鎵）最為穩(wěn)定，當(dāng)加熱至一定高溫時(shí)，其他亞穩(wěn)態(tài)均轉(zhuǎn)換為β相，在熔點(diǎn)1800℃時(shí)必為β相。目前產(chǎn)業(yè)化以β相氧化鎵為主。
- 超寬禁帶，在超高低溫、強(qiáng)輻射等極端環(huán)境下性能穩(wěn)定，并且對(duì)應(yīng)深紫外吸收光譜，在日盲紫外探測(cè)器有應(yīng)用。
- 高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高Baliga值，對(duì)應(yīng)耐壓高、損耗低，是高壓高功率器件不可替代的明星材料。
氧化鎵是寬禁帶半導(dǎo)體中唯一能夠采用液相的熔體法生長(zhǎng)的材料，并且硬度較低，材料生長(zhǎng)和加工的成本均比碳化硅有優(yōu)勢(shì)，氧化鎵將全面挑戰(zhàn)碳化硅。氧化鎵的Baliga優(yōu)值分別是GaN和SiC的四倍和十倍，導(dǎo)通特性好。氧化鎵器件的功率損耗是SiC的1/7，也就是硅基器件的1/49。氧化鎵的硬度比硅還軟，因此加工難度較小，而SiC硬度高，加工成本極高。氧化鎵用液相的熔體法生長(zhǎng)，位錯(cuò)（每平方厘米的缺陷個(gè)數(shù)）＜102cm-2，而SiC用氣相法生長(zhǎng)，位錯(cuò)個(gè)數(shù)約105cm-2。4. 氧化鎵的生長(zhǎng)速度是SiC的100倍氧化鎵用液相的熔體法生長(zhǎng)，每小時(shí)長(zhǎng)10~30mm，每爐2天，而SiC用氣相法生長(zhǎng)，每小時(shí)長(zhǎng)0.1~0.3mm，每爐7天。氧化鎵的晶圓線與Si、GaN以及SiC的晶圓線相似度很高，轉(zhuǎn)換的成本較低，有利于加速氧化鎵的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度。從日本經(jīng)濟(jì)新聞網(wǎng)報(bào)道的原文“Novel Crystal Technology在全球首次成功量產(chǎn)以新一代功率半導(dǎo)體材料氧化鎵制成的100毫米晶圓，客戶企業(yè)可以用支持100毫米晶圓的現(xiàn)有設(shè)備制造新一代產(chǎn)品，有效運(yùn)用過去投資的老設(shè)備?！眮砜?，氧化鎵不像SiC需要特殊設(shè)備而必須新建產(chǎn)線，潛在可轉(zhuǎn)換的產(chǎn)能已非常巨大。1.4 氧化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域：功率器件
- 單極替換雙極：即MOSFET替換IGBT，新能源車及充電樁、特高壓、快充、工業(yè)電源、電機(jī)控制等功率市場(chǎng)中，淘汰硅基IGBT已是必然，硅基GaN、SiC、Ga2O3是競(jìng)爭(zhēng)材料。
- 更加節(jié)能高效：氧化鎵功率器件能耗低，符合碳中和、碳達(dá)峰的戰(zhàn)略。
- 易大尺寸量產(chǎn)：擴(kuò)徑、生產(chǎn)簡(jiǎn)單，芯片工藝易實(shí)現(xiàn)，成本低。
- 可靠性要求高：材料穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)可靠，高品質(zhì)襯底/外延。
- 長(zhǎng)期來說，氧化鎵功率器件覆蓋650V/1200V/1700V/3300V，預(yù)計(jì)2025年至2030年全面滲透車載和電氣設(shè)備領(lǐng)域，未來也將在超高壓的氧化鎵專屬市場(chǎng)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，如高壓電源真空管等應(yīng)用領(lǐng)域。
- 短期來說，預(yù)計(jì)氧化鎵功率器件將在門檻較低、成本敏感的中高壓市場(chǎng)率先出現(xiàn)，如消費(fèi)電子、家電以及能發(fā)揮材料高可靠、高性能的工業(yè)電源等領(lǐng)域。
- DC/DC：12V/5V→48V轉(zhuǎn)換
1.5 氧化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域：射頻器件
GaN市場(chǎng)需要大尺寸、低成本的襯底，才能真正發(fā)揮GaN材料的優(yōu)勢(shì)。同質(zhì)襯底上生長(zhǎng)同質(zhì)外延的外延層品質(zhì)是最好的，但由于GaN襯底價(jià)格很高，在LED、消費(fèi)電子、射頻等領(lǐng)域采用相對(duì)廉價(jià)的襯底，如Si、藍(lán)寶石、SiC襯底，但這些襯底與GaN晶體結(jié)構(gòu)的差異會(huì)造成晶格失配，相當(dāng)于用成本犧牲了外延品質(zhì)。當(dāng)GaN同質(zhì)外延GaN，才能用在激光器這類要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。GaN與氧化鎵的晶格失配僅2.6%，以氧化鎵襯底，異質(zhì)外延生長(zhǎng)的GaN品質(zhì)高，且無銥法生長(zhǎng)6寸氧化鎵的成本接近硅，有望在GaN射頻器件市場(chǎng)得到重要應(yīng)用。
2.1 半導(dǎo)體材料的長(zhǎng)晶工藝熔體法是生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料最理想的方式，有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。
- 品質(zhì)好：位錯(cuò)可趨于0，晶體品質(zhì)很好；
- 長(zhǎng)速快：每小時(shí)能夠長(zhǎng)幾厘米，比氣相法快得多。
氧化鎵是寬禁帶半導(dǎo)體中唯一有常壓液態(tài)的材料，即可用上述熔體法生長(zhǎng)。氧化鎵生長(zhǎng)常用的直拉法為熔體法的一種，需要依賴銥坩堝（貴金屬Ir單質(zhì)），原因是直拉法生長(zhǎng)氧化鎵需要高溫富氧的環(huán)境，否則原料容易分解成Ga和O2，影響產(chǎn)物，而只有貴金屬銥坩堝能夠在這種極端環(huán)境下保持穩(wěn)定。
由于直拉法原料揮發(fā)較多，氧化鎵的長(zhǎng)晶工藝從直拉法逐步演變?yōu)橛秀炆w和模具的導(dǎo)模法，兩種方法均需使用銥坩堝，目前導(dǎo)模法已成為主流的氧化鎵長(zhǎng)晶方法。然而由于銥坩堝的成本和損耗太高，生長(zhǎng)幾十爐后就會(huì)被腐蝕損耗，需要重新熔煉加工，且長(zhǎng)晶過程中，銥會(huì)形成雜質(zhì)進(jìn)入晶體，產(chǎn)業(yè)界有很強(qiáng)的無銥法開發(fā)需求。2022年4月，日本經(jīng)濟(jì)新聞網(wǎng)發(fā)布了一則消息，日本C&A公司采用一種銅坩堝的直拉法生長(zhǎng)出2寸氧化鎵單晶，能夠?qū)⒊杀窘抵翆?dǎo)模法的1/100。
三、氧化鎵的學(xué)術(shù)研究、應(yīng)用發(fā)展
SiC從2寸到6寸花了20年（1992-2012），而氧化鎵從2寸到6寸僅4年（2014-2018）
- 國(guó)外：日本NCT公司領(lǐng)跑全球氧化鎵產(chǎn)業(yè)，供應(yīng)全球近100%的氧化鎵襯底，2寸片2.5萬元，4寸片5-6萬元。
- 國(guó)內(nèi)：中電科46所在2018年創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)的氧化鎵4寸記錄，山東大學(xué)于2022年也報(bào)道了4寸，目前國(guó)內(nèi)還未出現(xiàn)有量產(chǎn)能力的公司或院校，一定程度上限制于銥坩堝的成本。
四、氧化鎵的產(chǎn)業(yè)鏈與市場(chǎng)空間
氧化鎵襯底和外延環(huán)節(jié)位于功率器件的產(chǎn)業(yè)鏈上游。類比碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈，價(jià)值集中于上游襯底和外延環(huán)節(jié)：1顆碳化硅器件的成本中，47%來自襯底，23%來自外延，襯底+外延共占70%。隨著氧化鎵的成本進(jìn)一步降低，襯底占比會(huì)比SiC小得多。
總的來說，在未來10年，氧化鎵器件將有可能成為直接與碳化硅競(jìng)爭(zhēng)的電力電子器件，但作為半導(dǎo)體新材料，氧化鎵市場(chǎng)規(guī)模的突破取決于成本的快速降低。未來幾年是日本開始大規(guī)模導(dǎo)入氧化鎵的關(guān)鍵階段，中國(guó)能否緊跟業(yè)界腳步，需要國(guó)內(nèi)氧化鎵產(chǎn)業(yè)界攜手努力。
轉(zhuǎn)載微信公眾號(hào)：半導(dǎo)體材料與工藝
聲明：本文版權(quán)歸原作者所有，轉(zhuǎn)發(fā)僅為更大范圍傳播學(xué)習(xí)，若有異議請(qǐng)聯(lián)系我們修改或刪除：[email protected]
聯(lián)系方式：
服務(wù)熱線/Service: 400-650-7658
郵箱/Email ：[email protected]
生產(chǎn)基地/Address: 河北省廊坊市香河機(jī)器人產(chǎn)業(yè)園3期A棟
