新型宽禁带半导体-氧化镓

印宁华|印宁华|Indining China|

2022-07-05 18:36:45 14

技术日新月异, 第三代宽禁带半导体技术及制造工艺发展还没有多少年, 源起于日本的氧化镓被誉为第四代半导体技术已开始国内市场发育.

与SiC和GaN相比，β-Ga2O3有望以低成本制造出高耐压且低损失的功率半导体元件，因而引起了极大关注。契机源于日本信息通信研究机构等的研究小组开发出的β-Ga2O3晶体管。

氧化镓的别名是三氧化二镓，氧化镓（Ga2O3）是一种宽禁带半导体，也是一种透明的氧化物半导体材料，在光电子器件方面有广阔的应用前景，被用作于镓基半导体材料的绝缘层，以及紫外线滤光片。
据市场调查公司富士经济于2019年6月5日公布的Wide Gap 功率半导体元件的全球市场预测来看，2030年氧化镓功率元件的市场规模将会达到1542亿日元（约人民币92.76亿元），这个市场规模要比氮化镓功率元件的规模（1085亿日元，约人民币65.1亿元）还要大。
Novel Crystal Technology这次量产的新一代晶圆可以使用原有100mm晶圆的设备制造新一代产品，有效保护了企业的投资，预计2021年内开始供应晶圆。资料显示，Novel Crystal Technology公司由日本电子零部件企业田村制作所和AGC等出资成立，主要研发、生产新一代半导体技术。

中文名称: 氧化镓 99.99%-99.999% 100目、200目

中文别名:三氧化二镓分子式:Ga2O3 密度:5.88
水溶性:Insoluble in water 外观白色无臭粉末
用途:用作半导体材料,光谱分析中用于测定铀中杂质

在IEEE SPECTRUM中文版《科技纵览》2002年5月刊中，已故的莱斯特?F.伊斯曼（Lester F. East-man）和乌梅什?K. 米什拉（Umesh K.Mishra）谈到了当时功率半导体界的一项大胆技术：氮化镓（GaN）。对于强大耐用的射频放大器在当时新兴的宽带无线网络、雷达以及电网功率切换应用中的使用前景，他们表达了乐观的看法。他们称氮化镓器件为“迄今为止最坚固耐用的晶体管”。

伊斯曼和米什拉是对的。氮化镓的宽带隙（使束缚电子自由断裂并有助于传导的能量）和其他性质让我们能够利用这种材料承受高电场的能力，制造性能空前的器件。

如今，氮化镓是固态射频功率应用领域无可争议的。它已经在雷达和5G无线技术中得到了应用，很快将在电动汽车的逆变器中普及。你甚至可以买到基于氮化镓的USB壁式充电器，它们体积小且功率非常高。

不过，还有比它更好的东西吗？有能让射频放大器变得更强大更高效的装置吗？有能让电力电子设备体积变得更小，让飞机和汽车上使用的电子设备更轻、更小的装置吗？我们能找到带隙更大的导电材料吗？

是的，我们可以。事实上，许多材料都有更大的带隙，但量子力学的独特性意味着，几乎所有这些材料都不能用作半导体。不过，透明导电氧化物氧化镓（Ga2O3）是一个特例。这种晶体的带隙近5电子伏特，如果说氮化镓（3.4eV）与它的差距为1英里，那么硅（1.1eV）与它的差距则好比一个马拉松。金刚石和氮化铝的带隙更大，但它们不具备氧化镓所具备的幸运特性，氧化镓有助于制造价格低廉但功能强大的器件。

击穿电场强度大带隙越大，击穿电场强度就越大。β-Ga2O3的击穿电场强度为推测值。

一种材料仅仅有宽带隙是不够的。所有的电介质和陶瓷都有宽带隙，否则它们就不会被用作绝缘体了，而氧化镓有一组独特的特性，它可以作为功率切换和射频电子器件的半导体从而发挥巨大作用。

它的特点之一是，通过掺杂的方法，可以在氧化镓中加入电荷载流子，使其更具导电性。掺杂包括向晶体添加一定量的杂质，以控制半导体中载流子的浓度。对于硅，可以使用离子注入法，然后退火处理，在晶体中掺杂磷（以添加自由电子）或硼（以减去自由电子），从而使电荷能够自由移动。对于氧化镓，可以用同样的方法在晶体中掺杂硅来添加电子。如果在任何其他宽带隙氧化物中这样做，结果可能是破碎的晶体和晶格斑点，这样的话电荷会被卡住。

氧化镓能够适应通过“离子注入”标准工艺添加以及外延生长（沉积额外的晶体）过程中添加的掺杂剂，因此我们能够借用各种各样的既有商业光刻和加工技术。借助这些方法，精确定义几十纳米的晶体管尺寸和产生各种各样的器件拓扑结构变得相对简单。其他宽带隙的半导体材料不具备这种难以置信的有用特性，甚至氮化镓也不例外。

这与其他宽带隙半导体的区别，怎么夸张都不过分。除碳化硅（SiC）以外，其他所有新兴宽带隙半导体根本没有大尺寸半导体基底可供生长大晶体。这意味着它们必须生长在另一种材料盘中，而这是有代价的。例如，氮化镓通常依靠复杂的工艺在硅、碳化硅或蓝宝石基底上生长。不过，这些基底的晶体结构明显不同于氮化镓的晶体结构，这种差异会造成基底和氮化镓之间的“晶格失配”，从而产生大量缺陷。这些缺陷会给生产的设备带来一系列问题。氧化镓由于作为自己的基底，所以不存在不匹配的情况，也就没有缺陷。

那么，氧化镓有什么缺点？这种材料的致命弱点在于它的导热性不佳。事实上，在所有可用于射频放大或功率切换的半导体中，它的导热性最差。氧化镓的热导率只有金刚石的1/60，碳化硅（高性能射频氮化镓的基底）的1/10，约为硅的1/5。（有趣的是，它可以媲美主要射频材料砷化镓。）低热导率意味着晶体管中产生的热量可能会停留，有可能极大地限制器件的寿命。

不过，在放弃它之前，需要考虑以下问题：由于材料会对器件产生影响，因此要得到有关其热导率的真实同类比较结果，我们需要将它标准化为材料处理功率的能力。换言之，要除以Ec才能准确比较实际器件中的预期热问题。由此我们会发现，每种带隙比硅大的半导体（甚至是金刚石）在充分发挥其潜能时，都有散热问题。虽然这一事实对氧化镓而言于事无补，但它能推动我们努力寻找更好的散热方法。

美国空军研究实验室的研究人员发现，在某些器件的拓扑结构中，几乎所有的热量都是在材料顶部1微米处产生的，因此他们模拟了接触电极和使用介质填料将热量分流到散热器的效果，并取得了较好的结果。这也是目前商用砷化镓异质结双极晶体管中使用的办法。因此，尽管氧化镓存在热量方面的挑战，但聪明的工程设计能够克服该问题。

采用了钻石基材散热的GaN内部工艺剖析

另一个更基本的问题是，我们只能让氧化镓传导电子而不能实现空穴导电。从来没有人能用氧化镓制造良好的p 型导体。此外，令人沮丧的是，这种材料的基本电子特性使其在这方面希望渺茫。特别是，这种材料的能带结构的价带部分不具有空穴传导的形状。因此，即使有一种掺杂剂能使受体处于正确能级，所产生的空穴也会在它帮助传导之前困住自己。理论和数据如此一致时，很难找到办法解决这个问题。

当然，在发展的道路上我们会打破一些东西（主要是电介质），但这就是颠覆性技术的定义。我们用已知的东西来换取潜在的性能，而目前，氧化镓的性能潜力远远大于其问题。

结语: 半导体材料位于产业链的上游，国内根据材料划分为代的硅，第二代的砷化镓和磷化铟，第三代的碳化硅和氮化镓。业内普遍认为，氧化镓将有望成为新一代半导体材料的代表。和前几代材料相比，氧化镓具有更优良的化学和热稳定性、更低的成本价格、更高质量合成和更短的产业化优势，在大功率、抗辐射电子器件领域有广泛的应用前景, 在功率器件上，氧化镓比碳化硅等材料更耐压、成本更低，效率更高。

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