日本氧化鎵的新進展

作為一種新興的超寬帶隙導(dǎo)體，氧化鎵擁有4.9~5.3eV的超大帶隙。作為對比，SiC和GaN的帶隙為3.3eV，而硅則僅有1.1eV，那就讓這種新材料擁有更高的功率特性以及深紫外光電特性，再加上其熱穩(wěn)定性以及人工晶體襯底低成本合成，讓開發(fā)者可以有望基于此開發(fā)出小型化，高效的、性價比優(yōu)良的超大功率晶體管。這也許是為什么在以SiC和GaN為代表的寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體器件方面取得了巨大進步的時候，Ga2O3仍然吸引了開發(fā)者廣泛興趣的原因。

而在這方面，日本則相對處于領(lǐng)先地位。

早在2012 年，日本Novel Crystal Technology（下簡稱“NCT”）公司就實現(xiàn)了 2 英吋氧化鎵晶體和外延的突破；2014 年，日本NCT實現(xiàn) 2 英吋氧化鎵材料的批量產(chǎn)業(yè)化；2017 年，日本 FLOSFIA 實現(xiàn)了低成本亞穩(wěn)態(tài)氧化鎵（α相）材料的突破；2018 年，日本NCT實現(xiàn)了 4 英吋氧化鎵材料的突破，日本 FLOSFIA 實現(xiàn)了α相氧化鎵外延材料的批量化生產(chǎn)，2019 年日本田村實現(xiàn) 4 英吋氧化鎵的批量產(chǎn)業(yè)化，同年 2019 年，日本田村實現(xiàn) 6 英吋氧化鎵材料的突破；其中晶體原坯的厚度也是由 5mm 向 25mm 實現(xiàn)突破。

日本氧化鎵的新進展

近日，據(jù)eetJP的報道，F(xiàn)LOSFIA是京都大學(xué)的一家開發(fā)氧化鎵（Ga2O3）功率器件的風(fēng)險公司，預(yù)計將于2022年開始批量生產(chǎn)SBD（肖特基勢壘二極管）。

該公司在“TECHNO-FRONTIER 2022”（2022 年 7 月 20 日至 22 日 / Tokyo Big Sight）上展出，并展出了配備了使用氧化鎵的 SBD“GaO SBD”的評估板。GaO SBD 的最大額定電壓為 600V，正向電流 (I f ) 為 10A。“首先，我們的目標是幾百瓦的電源。：FLOSFIA 功率器件事業(yè)部總經(jīng)理 Takuto Ikawa 表示。“過去一年，我們繼續(xù)發(fā)送 GaO SBD 樣品，并獲得了積極評價?！盩akuto Ikawa 接著說。

展臺上，除了FLOSFIA評估板外，還展出了搭載Wakoken制造的GaO SBD的DC-DC轉(zhuǎn)換器。這個意義很大。“如果沒有市場采用記錄，像 GaO SBD 這樣的新設(shè)備很難傳播，”Ikawa 解釋說。因此，如果有一家公司雇用或介紹了一家公司，那么雇用案件的數(shù)量可能會因此增加。“我希望能夠在一年后的展會上展示帶有 GaO SBD 的最終產(chǎn)品，”Ikawa 說。

FLOSFIA 的氧化鎵功率器件使用一種稱為α-Ga2O3的材料。氧化鎵具有不同晶形的β-Ga2O3，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。然而，由于α型在帶隙等特性方面優(yōu)越（Si的帶隙值(eV) 為1.1，SiC為3.3， Ga2O3為5.3 。這個5.3是一個α型數(shù)值，對于β型來說略低一些），F(xiàn)LOSFIA專注于α-Ga2O3的開發(fā)。FLOSFIA擁有獨特的成膜技術(shù)“霧干法”，可以生產(chǎn)出穩(wěn)定且具有優(yōu)異特性的α-Ga2O3?！霸谶@一點上，除了我們的霧干法之外，很難生產(chǎn)穩(wěn)定的α型氧化鎵，”Ikawa先生解釋道。

盡管氧化鎵功率器件仍處于功率器件市場的早期階段，“許多研究成果已在學(xué)術(shù)團體等上公布。但其中大部分以β-Ga2O3“從這個意義上說，α型是最接近實際用途的功率器件，”他說。

今年年初，日本從事半導(dǎo)體研發(fā)的Novel Crystal Technology（NCT，埼玉縣狹山市）發(fā)布消息稱，該公司與日本酸素控股旗下的大陽日酸、東京農(nóng)工大學(xué)一起，成功實現(xiàn)了氧化鎵功率半導(dǎo)體的6英吋成膜。由于可在較大晶圓上成膜，估計可大幅削減晶圓生產(chǎn)成本。氧化鎵功率半導(dǎo)體被期待幫助純電動汽車（EV）等減少電力消耗。

這是作為日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）的戰(zhàn)略項目實現(xiàn)的研發(fā)。大陽日酸和東京農(nóng)工大學(xué)開發(fā)了可按6英吋晶圓進行成膜的裝置。

以往的技術(shù)只能在最大4英吋晶圓上成膜，NCT在世界上首次實現(xiàn)6英吋的成膜。有助于削減生產(chǎn)成本，有望把成本降到「碳化矽（SiC）功率半導(dǎo)體的三分之一」（NCT相關(guān)人員）。

據(jù)NCT預(yù)測，氧化鎵晶圓的市場到2030年度將擴大到約590億日元規(guī)模。該公司的目標是在確立晶圓量產(chǎn)技術(shù)后，2024年度銷售晶圓的量產(chǎn)裝置。將銷售給大型功率半導(dǎo)體廠商，用于實現(xiàn)純電動汽車等的節(jié)能。

同樣是在今年上半年，源自日本東北大學(xué)的初創(chuàng)企業(yè)C&A與東北大學(xué)教授吉川彰的研發(fā)團隊開發(fā)出一種技術(shù)，能以此前100分之1的成本制造有助于節(jié)能的新一代功率半導(dǎo)體的原材料“氧化鎵”。新技術(shù)不需要昂貴的設(shè)備，成品率也將提高。計劃在2年內(nèi)制造出實用化所需的大尺寸結(jié)晶。

研發(fā)團隊開發(fā)出了通過直接加熱原料來制造氧化鎵結(jié)晶的設(shè)備，制造出了最大約5厘米的結(jié)晶。將原料裝入用水冷卻的銅質(zhì)容器，利用頻率達到此前約100倍的電磁波，使原料熔化。

傳統(tǒng)方法是加熱使用貴金屬銥制造的容器，熔化其中的材料，制造結(jié)晶。要制造直徑約15厘米的實用性結(jié)晶，僅容器就需要3000萬～5000萬日元，還存在結(jié)晶的質(zhì)量不夠穩(wěn)定等課題。

據(jù)稱由于不需要昂貴的容器等原因，利用新方法能以目前約100分之1的成本制造氧化鎵結(jié)晶。力爭在2年內(nèi)制造出直徑15厘米以上的結(jié)晶。

現(xiàn)在的功率半導(dǎo)體主要把硅用于基板，但課題是會產(chǎn)生電力損耗。氧化鎵與碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等一起，作為新一代材料受到期待。據(jù)稱氧化鎵的電力損耗在理論上僅為硅的約3400分之1、碳化硅的約10分之1。

如果純電動汽車（EV）的馬達驅(qū)動用電源采用氧化鎵制的功率半導(dǎo)體，就算電池容量相同，也能行駛更遠距離。C&A和東北大學(xué)的團隊將利用新方法降低此前成為瓶頸的生產(chǎn)成本，推動實用化。

據(jù)日本富士經(jīng)濟的統(tǒng)計顯示，2016 年，氧化鎵在日本市場的銷售情況大概為 5 億日元，在2020、2025、2030三個節(jié)點時間，氧化鎵的市場也將會有數(shù)百倍的明顯增長趨勢。根據(jù)他們的觀點，這種新材料的增長幅度低于發(fā)展20 多年的 SiC 材料，但是高于襯底材料還沒有得到較好解決的GaN。

氧化鎵正在逐漸成為半導(dǎo)體材料界一顆冉冉升起的新星。

審核編輯 ：李倩