國(guó)內(nèi)氧化鎵半導(dǎo)體又有新進(jìn)展，距離量產(chǎn)還有多遠(yuǎn)？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）在以碳化硅和氮化鎵為主的第三代半導(dǎo)體之后，氧化鎵被視為是下一代半導(dǎo)體的最佳材料之一。氧化鎵具有多種同分異構(gòu)體，其中β-Ga₂O₃（β相氧化鎵）最為穩(wěn)定，也是目前在半導(dǎo)體應(yīng)用中被研究最多，距離商業(yè)化應(yīng)用最近的一種。

氧化鎵本身的材料特性極為優(yōu)異。我們都知道第三代半導(dǎo)體也被稱(chēng)為寬禁帶半導(dǎo)體，而第四代半導(dǎo)體的一個(gè)重要特性就是“超寬禁帶”，禁帶寬度在4eV以上（金剛石5.5eV，β-Ga₂O₃ 禁帶寬度4.2-4.9eV），相比之下，第三代半導(dǎo)體中碳化硅禁帶寬度僅為3.2eV，氮化鎵也只有3.4eV。更寬的禁帶，帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)是擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度更大，反映到器件上就是耐壓值更高，同樣以主流的β結(jié)構(gòu)Ga₂O₃ 材料為例，其擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度約為8MV/cm，是硅的20倍以上，相比碳化硅和氮化鎵也高出一倍以上。

在應(yīng)用層面上，氧化鎵主要被應(yīng)用于光電以及高功率的領(lǐng)域。由于氧化鎵高溫下性能穩(wěn)定，有高的可見(jiàn)光和紫外光的透明度，特別是在紫外和藍(lán)光區(qū)域透明，因此日盲紫外探測(cè)器是目前氧化鎵比較確定的一條應(yīng)用路線(xiàn)。

此前在今年8月，美國(guó)商務(wù)部工業(yè)和安全局的文件中披露，美國(guó)將對(duì)氧化鎵和金剛石兩種超寬禁帶半導(dǎo)體襯底實(shí)施出口管制，也足以證明第四代半導(dǎo)體的重要性。

而近日，中國(guó)科大微電子學(xué)院龍世兵教授課題組兩篇關(guān)于氧化鎵器件的研究論文被IEEE 國(guó)際電子器件大會(huì)接收，分別涉及了氧化鎵器件在功率以及光電領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。

在氧化鎵功率應(yīng)用中，如何開(kāi)發(fā)出有效的邊緣終端結(jié)構(gòu)，緩解肖特基電極邊緣電場(chǎng)是目前氧化鎵SBD研究的熱點(diǎn)。由于氧化鎵P型摻雜目前尚未解決，PN結(jié)相關(guān)的邊緣終端結(jié)構(gòu)一直是難點(diǎn)。

龍世兵教授課題組基于氧化鎵異質(zhì)PN結(jié)的前期研究基礎(chǔ)，成功將異質(zhì)結(jié)終端擴(kuò)展結(jié)構(gòu)應(yīng)用在氧化鎵SBD，并提高了器件的耐壓能力。在通過(guò)一系列優(yōu)化后，器件實(shí)現(xiàn)了2.9 mΩ·cm2的低導(dǎo)通電阻和2.1kV的高擊穿電壓，其功率品質(zhì)因數(shù)高達(dá)1.52 GW/cm2。

光電應(yīng)用中，響應(yīng)度和響應(yīng)速度是光電探測(cè)器的兩個(gè)關(guān)鍵的性能參數(shù)，然而這兩個(gè)指標(biāo)之間存在著制約關(guān)系，此消彼長(zhǎng)。由于缺乏成熟的材料缺陷控制技術(shù)，該問(wèn)題在以氧化鎵材料為代表的超寬禁帶半導(dǎo)體探測(cè)器中尤為突出，這次公布的論文就是為了緩解這個(gè)問(wèn)題。

龍世兵教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入額外的輔助光源實(shí)現(xiàn)對(duì)向光柵（OPG）調(diào)控方案，提出了一種光電探測(cè)器芯片內(nèi)千萬(wàn)像素共享一顆輔助LED即可緩解響應(yīng)度與響應(yīng)速度之間的制約關(guān)系的策略，對(duì)光電探測(cè)芯片綜合性能的提升有重要的參考意義。

不過(guò)另一方面，氧化鎵的量產(chǎn)難點(diǎn)主要是大尺寸高質(zhì)量的β相氧化鎵襯底難以制造，襯底缺陷難以控制，目前適用于半導(dǎo)體器件的氧化鎵晶圓距離量產(chǎn)還十分遙遠(yuǎn)。

今年12月，國(guó)內(nèi)的銘鎵半導(dǎo)體宣布使用導(dǎo)模法成功制備了高質(zhì)量的4英寸β相氧化鎵單晶，完成了4英寸氧化鎵晶圓襯底技術(shù)突破，并成功進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，成為國(guó)內(nèi)首家掌握4英寸β相氧化鎵單晶襯底生長(zhǎng)技術(shù)的公司。

海外方面，今年8月，日企Novel Crystal表示預(yù)計(jì)將在2025年開(kāi)始量產(chǎn)4英寸氧化鎵晶圓，到2028年開(kāi)始量產(chǎn)8英寸氧化鎵晶圓，并且最終成本可以降至碳化硅的三分之一。

目前國(guó)內(nèi)第三代以及第四代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合模式走得較為順暢，可以期待未來(lái)幾年里，包括氧化鎵、金剛石在內(nèi)的第四代半導(dǎo)體材料在國(guó)內(nèi)迎來(lái)更多的突破。