志在替代第三代半導(dǎo)體材料，氧化鎵目前有沒(méi)有這個(gè)實(shí)力？

韓國(guó)政府在近日宣稱將加大非硅功率半導(dǎo)體在本土的發(fā)展，用于電動(dòng)汽車和其他對(duì)功效和耐用性要求較高的技術(shù)。該計(jì)劃將支持5種以上的半導(dǎo)體在2025年實(shí)現(xiàn)本土商業(yè)化，這其中不僅有碳化硅、氮化鎵，也有很少被提及的氧化鎵(Ga2O3)。

與常規(guī)半導(dǎo)體相比，功率半導(dǎo)體可以承受更大的電壓和電流。目前氮化鎵已經(jīng)在雷達(dá)和5G等射頻功率應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)了規(guī)模商用，氮化鎵的快充充電器也已隨處可見(jiàn)，未來(lái)電動(dòng)汽車中的逆變器等器件也將采用這一新材料。而碳化硅雖然同樣發(fā)展迅速，但因?yàn)槌杀締?wèn)題，目前普及率并沒(méi)有前者高。那么被譽(yù)為“第四代半導(dǎo)體材料”之一的氧化鎵究竟有何優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)機(jī)會(huì)有多大，目前的發(fā)展處境又如何呢？

寬帶隙材料的優(yōu)勢(shì)

氧化鎵其實(shí)并不是什么新型材料，反而有了近70年的歷史，1952年就已經(jīng)有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了它的五種變體。但由于該材料被大多數(shù)半導(dǎo)體研究者和工程師忽略，其發(fā)展才落后于氮化鎵和碳化硅等材料。直到近年以來(lái)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)才開(kāi)始察覺(jué)到氧化鎵在光電器件應(yīng)用上的優(yōu)秀特性，而日本正是該材料的主要研究地區(qū)。

砷化鎵、氮化鎵、氧化鎵、硅、碳化硅特性比較 / IEEE

氮化鎵之所以能夠賦予器件前所未有的性能，一大原因要?dú)w結(jié)于它的禁帶寬度。寬禁帶使得材料可以承受更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，硅的禁帶寬度低至1.1eV，而碳化硅的禁帶寬度為3.3eV，氮化鎵的禁帶寬度也只有3.4eV，相較之下近似5eV的氧化鎵占了很大的優(yōu)勢(shì)。從上圖IEEE測(cè)試數(shù)據(jù)中也可以看出，氧化鎵在臨界電場(chǎng)強(qiáng)度和禁帶寬度占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

氧化鎵分為α、β、γ、δ和ε五種結(jié)晶形態(tài)，其中最為穩(wěn)定的是β-氧化鎵，其次是ε和α，目前大部分研究和開(kāi)發(fā)也是針對(duì)禁帶寬度在4.7eV和4.9eV之間的β-氧化鎵進(jìn)行。2012年，日本NICT開(kāi)發(fā)出了首個(gè)單晶β-氧化鎵晶體管，其擊穿電壓就已經(jīng)達(dá)到了250V以上，要知道氮化鎵可是經(jīng)過(guò)了近20年的發(fā)展才跨過(guò)這個(gè)里程碑。而且β-氧化鎵的生長(zhǎng)速率快于碳化硅和氮化鎵，襯底工藝也相對(duì)較簡(jiǎn)單。

但對(duì)合適的半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)，僅有寬禁帶是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，氧化鎵同樣擁有自己的局限性，比方說(shuō)它的導(dǎo)熱能力差，甚至低于砷化鎵。與導(dǎo)熱性能強(qiáng)的碳化硅相比，氧化鎵的導(dǎo)熱性只有前者的十分之一。這意味著晶體管中產(chǎn)生的熱量難以發(fā)散，很有可能限制設(shè)備的壽命。其次，氧化鎵制造p型半導(dǎo)體的難度較高，這兩點(diǎn)也成了氧化鎵商用普及的限制條件，需要業(yè)內(nèi)投入更多精力和人才來(lái)解決。

有限的市場(chǎng)參與者

在氧化鎵的開(kāi)發(fā)進(jìn)展比較大的玩家之一為日本的FLOSFIA，該公司已經(jīng)成立十年，最初由京都大學(xué)的一個(gè)研究項(xiàng)目衍生出來(lái)。FLOSFIA的主要業(yè)務(wù)是充分利用氧化鎵的物理特性，以自研的MISTDRY技術(shù)開(kāi)發(fā)出低損耗的功率器件。FLOSFIA也在今年3月底的E輪投資中獲得了由三菱重工領(lǐng)投的10億日元投資。

氧化鎵SBD /FLOSFIA

目前FLOSFIA已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出了超低導(dǎo)通電阻的肖特基二極管，其導(dǎo)通電阻低至0.1mΩcm2，這也是全球首個(gè)采用剛玉結(jié)構(gòu)的氧化鎵功率器件。FLOSFIA提到在該氧化鎵功率器件中，他們采用了LED中已經(jīng)商用化的藍(lán)寶石襯底。該器件不僅以超低導(dǎo)通電阻實(shí)現(xiàn)了低損耗，而且具備良好的高頻特性，非常適合高速開(kāi)關(guān)應(yīng)用。

FLOSFIA也在和股東之一的電裝開(kāi)發(fā)下一代氧化鎵汽車功率半導(dǎo)體。值得一提的是，F(xiàn)LOSFIA采用的是α-氮化鎵，雖然β-氧化鎵更為穩(wěn)定，但α-氮化鎵擁有更好的禁帶寬度，達(dá)到5.1eV到5.3eV。在判斷低頻功率半導(dǎo)體損耗的BFOM指數(shù)上，α-氮化鎵可以做到碳化硅的近20倍。

下一代功率器件及相關(guān)設(shè)備的市場(chǎng)趨勢(shì) / Fuji Economy

考慮到技術(shù)尚沒(méi)有完全成熟，F(xiàn)LOSFIA的短期市場(chǎng)定位仍在家庭電力調(diào)節(jié)、電源適配器、UPS等中壓應(yīng)用上，未來(lái)再推進(jìn)到基站等高頻通信設(shè)備、電動(dòng)汽車逆變器和工業(yè)電機(jī)等領(lǐng)域。而且以目前的功率器件市場(chǎng)分析數(shù)據(jù)來(lái)看，氧化鎵只有在2025年才會(huì)嶄露頭角，到2030年實(shí)現(xiàn)一定的普及。

2019年的國(guó)際電子器件大會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的歐欣課題組和西安電子科技大學(xué)的郝躍課題組展示了晶圓β-Ga2O3單晶薄膜（< 400 nm）與高導(dǎo)熱的Si和4H-SiC襯底異構(gòu)集成，并制備出高性能的MOSFET器件。借助高K值的碳化硅襯底，該器件實(shí)現(xiàn)了優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性，在500K的溫度下依然可以做到600V以上的擊穿電壓。

除了研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)外，國(guó)內(nèi)同樣有一家專研氧化鎵材料的高科技公司，鎵族科技。鎵族科技同樣是研究和生產(chǎn)氧化鎵的單晶和外延襯底，并由此開(kāi)發(fā)出了氧化鎵基日盲紫外探測(cè)器分立器件和陣列成像器件。氧化鎵的功率器件同樣是鎵族科技的研發(fā)發(fā)現(xiàn)，目前鎵族已經(jīng)與合作單位一起實(shí)現(xiàn)1000V耐壓的肖特基二極管模型制作，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)5000V耐壓的MOSFET模型制作。

小結(jié)

從目前的發(fā)展情況來(lái)看，氧化鎵尚處于一個(gè)早期階段，還不具備與氮化鎵和碳化硅抗衡的實(shí)力，而且自身還有導(dǎo)熱性和結(jié)構(gòu)上的挑戰(zhàn)。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，氧化鎵的性能潛力遠(yuǎn)大于目前的技術(shù)障礙。日韓兩個(gè)半導(dǎo)體大國(guó)都已經(jīng)開(kāi)始了下一代半導(dǎo)體材料的布局，足見(jiàn)氧化鎵未來(lái)的市場(chǎng)有多大。

況且氮化鎵在目前的半導(dǎo)體市場(chǎng)中不一定充當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)者的身份，我們從現(xiàn)有研究進(jìn)度中也看到了氧化鎵與碳化硅結(jié)合的情況，氧化鎵也不可能在每個(gè)射頻或功率場(chǎng)景中替代氮化鎵和碳化硅。