中國(guó)粉體網(wǎng)訊  在過去的幾年里，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體發(fā)展迅猛，憑借其大幅降低電力輸送中能源消耗的顯著優(yōu)勢(shì)，在功率器件和射頻器件中大放異彩，目前均已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。然而，SiC和GaN并不是終點(diǎn)，氧化鎵的出現(xiàn)帶來了新風(fēng)向，作為超寬禁帶半導(dǎo)體，研究證明，以氧化鎵材料制作的功率器件，相較于碳化硅和氮化鎵所制成的產(chǎn)品，更加耐熱且高效、成本更低、應(yīng)用范圍更廣。

2022年8月，美國(guó)商務(wù)部產(chǎn)業(yè)安全局（BIS）對(duì)第四代半導(dǎo)體材料氧化鎵和金剛石實(shí)施出口管制，認(rèn)為氧化鎵的耐高壓特性在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)美國(guó)國(guó)家安全至關(guān)重要。此后，氧化鎵在全球科研與產(chǎn)業(yè)界引起了更廣泛的重視。

氧化鎵的性能特點(diǎn)以及應(yīng)用

氧化鎵是一種新型寬禁帶半導(dǎo)體材料，已知晶相共6種，包括α，β，γ等5種穩(wěn)定相和1個(gè)瞬態(tài)相k-Ga₂O₃^[1]。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，以下所涉及到的研究均為β-Ga₂O₃。

β-Ga₂O₃材料與其他常見半導(dǎo)體材料的基本物理性質(zhì)

1.1 氧化鎵的性能特點(diǎn)

氧化鎵之所以能夠賦予器件前所未有的性能，一大原因歸結(jié)于它的禁帶寬度。Ga₂O₃的禁帶寬度約為4.9eV，高于SiC（3.3eV）和GaN（3.4eV）,相比之下氧化鎵的禁帶寬度占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。而且β-Ga₂O₃的生長(zhǎng)速率快于SiC和GaN，襯底工藝也相對(duì)較簡(jiǎn)單。

除了材料性能優(yōu)異如帶隙比SiC和GaN大，利用Ga₂O₃作為半導(dǎo)體材料的主要原因是其生產(chǎn)成本較低。目前GaN基藍(lán)光LEDs的襯底主要是藍(lán)寶石(Al₂O₃)和SiC。藍(lán)寶石雖透明，但為絕緣體；導(dǎo)電的SiC是不透明的,且價(jià)格又非常的高。而β-Ga₂O₃與GaN的匹配性很好，晶格失配率很低，價(jià)格相對(duì)便宜，更重要的是β-Ga₂O₃兼具藍(lán)寶石(Al₂O₃)的透明性和SiC的導(dǎo)電性，有望取代藍(lán)寶石(Al2O3)和SiC成為GaN的下一代的襯底材料。所以，β-Ga₂O₃半導(dǎo)體材料的應(yīng)用潛力十分巨大^[2]。

1.2 氧化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域

Ga₂O₃材料的潛在應(yīng)用方向很多，包括光電探測(cè)、功率器件、射頻器件、氣敏傳感、光催化、信息存儲(chǔ)和太陽(yáng)能利用等。目前，Ga₂O₃商業(yè)化趨勢(shì)明朗的應(yīng)用領(lǐng)域主要有2個(gè)方面。

1.2.1 日盲紫外光電探測(cè)器件

日盲紫外光電探測(cè)器作為光譜探測(cè)不可或缺的部分，在導(dǎo)彈跟蹤、火災(zāi)預(yù)警和深空探測(cè)等諸多關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用。在這些獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)景中，日盲紫外光電探測(cè)器將不可避免地面對(duì)極端惡劣的環(huán)境（如高溫、高電場(chǎng)、高輻射）。然而，傳統(tǒng)的硅基日盲紫外探測(cè)器對(duì)紫外光靈敏度低、熱穩(wěn)定性差，難以滿足苛刻環(huán)境下高靈敏探測(cè)的需求。Ga₂O₃材料帶隙為4.9eV，對(duì)應(yīng)的吸收波長(zhǎng)約為250nm (日盲紫外200-280nm)的深紫外光，剛好為日盲紫外波段，是日盲紫外探測(cè)較為理想的候選材料。

1.2.2 功率電子器件

功率器件對(duì)材料的耐擊穿場(chǎng)強(qiáng)要求較高，具有較大擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的材料，所具備的功率器件性能會(huì)越好。Ga₂O₃材料的帶隙較寬，具有較大的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。根據(jù)理論分析，Ga₂O₃材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)可以達(dá)到8MV/cm，是Si材料的20倍以上，比目前第3代半導(dǎo)體中的SiC和GaN材料高出一倍以上。Ga₂O₃材料除了具有高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)外，制備成器件后能耗也大大降低，是Si、GaN和SiC不能比的。由于Ga₂O₃材料具有高耐壓、低功耗的優(yōu)勢(shì)，未來在高溫、高頻、大功率電力電子器件制備中具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

氧化鎵研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

2.1國(guó)外進(jìn)展

日本企業(yè) Novell Crystal Technology （簡(jiǎn)稱“NCT”）作為Ga₂O₃晶體研發(fā)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，是最早能夠量產(chǎn)氧化鎵基礎(chǔ)材料（單晶和外延）及器件的企業(yè)。目前，Novell Crystal Technology 與佐賀大學(xué)合作攻克了其第二代氧化鎵4英寸外延片中由外延式沉積成膜過程中產(chǎn)生的一種特定粉末所造成的缺陷過多問題。通過改善成膜條件之后，成功制造出了第三代氧化鎵4英寸外延片^[3]。

日本田村制作所( Tamura) 在單晶生長(zhǎng)方面處于領(lǐng)先地位，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了2英寸晶圓的產(chǎn)業(yè)化，并生長(zhǎng)獲得了6英寸晶體。其與NCT合作成功開發(fā)了世界上第1個(gè)由Ga₂O₃外延膜制成的溝槽型MOS功率晶體管，其功耗僅為傳統(tǒng)硅MOSFET的 1/1000[4-5]。

2015年，日本信息與通信技術(shù)研究所（NICT）通過HVPE的方法，成功生長(zhǎng)了 7 μm的低摻雜外延層（摻雜濃度為 1×10¹⁶ cm^-3），并基于該材料制備了二極管，通過變溫 C-V、I-V 特性研究，發(fā)現(xiàn)器件正向?qū)�通電流符合熱電子發(fā)射機(jī)制，反向漏電流傳輸符合熱場(chǎng)發(fā)射機(jī)制^[6]。

美國(guó)空軍研究室（AFR L）在2012年注意到了NICT的成功，研究員Gregg Jessen領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)探索了Ga₂O₃材料的特性，結(jié)果顯示，Ga₂O₃材料的速度和高臨界場(chǎng)強(qiáng)在快速功率開關(guān)和射頻功率應(yīng)用中具有顛覆性的潛力。在這個(gè)成果的激勵(lì)下，Jessen建立了美國(guó)的Ga₂O₃研究基礎(chǔ)，獲得了首批樣品。AFRL目前致力于將電子束曝光技術(shù)引入到Ga₂O₃器件的制程工藝中，并將晶體管的尺寸降到微米級(jí)以下，這樣將可使器件具備非常高的速度和擊穿電壓，成為快速開關(guān)應(yīng)用的有力競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品^[7]。

2.2國(guó)內(nèi)進(jìn)展

我國(guó)的氧化鎵襯底能夠小批量供應(yīng)，外延、器件環(huán)節(jié)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程幾乎空白，研發(fā)主力軍和突出成果都在高校和科研院所當(dāng)中。從公開資料顯示，目前從事Ga₂O₃材料和器件研究的單位和企業(yè)，主要包括中電科46所、西安電子科技大學(xué)、北京郵電大學(xué)、中科院上海光機(jī)所、中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)、山東大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、廈門大學(xué)、鄭州大學(xué)等高校及科研院所�？萍汲晒�轉(zhuǎn)化的公司有北京鎵族科技有限公司、杭州富加鎵業(yè)科技有限公司等。

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的張俊剛等[8]利用FZ法制備了不同Sn摻雜濃度的 β-Ga₂O₃晶體，當(dāng)時(shí)的氧化鎵只是被視為透明導(dǎo)電氧化物或外延生長(zhǎng)其他材料的襯底。

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所的張勝男、練小正等^[9-10]在多年的晶體生長(zhǎng)基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化生長(zhǎng)氣氛和晶體生長(zhǎng)工藝，有效抑制了晶體生長(zhǎng)過程中的原料分解、多晶形成、晶體開裂等問題，采用導(dǎo)模法成功制備出了高質(zhì)量4英寸β-Ga₂O₃單晶。

在器件方面，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平，該單位的研究人員創(chuàng)新性采用柵下熱氧化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型Ga₂O₃ MOSFET器件，閾值電壓達(dá)到 4.1V，開關(guān)比達(dá)到108。提出的雙層源場(chǎng)板結(jié)構(gòu)可以有效抑制Ga₂O₃溝道和氮化硅（SiN）鈍化層中的尖峰電場(chǎng)強(qiáng)度，器件擊穿電壓超過 3000V。

氧化鎵未來發(fā)展趨勢(shì)

氧化鎵作為新型超寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有物理性能優(yōu)異、成本低、質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)，在半導(dǎo)體領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注。相比于目前常見的寬禁帶半導(dǎo)體 SiC和GaN，Ga₂O₃的Baliga品質(zhì)因數(shù)更大、預(yù)期生長(zhǎng)成本更低，在高壓、大功率、高效率、小體積電子器件方面更具潛力。根據(jù)日本氧化鎵行業(yè)龍頭NCT預(yù)測(cè)氧化鎵晶圓粉市場(chǎng)到2030年度將擴(kuò)大到約590億日元（約合4.7億美元）規(guī)模。

據(jù)日本市場(chǎng)調(diào)查公司富士經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)，氧化鎵功率元件的市場(chǎng)到2030年度將會(huì)達(dá)到1542億日元(約合12.2億美元)規(guī)模。值得注意的是這個(gè)市場(chǎng)規(guī)模要比目前氮化鎵功率元件的規(guī)模(約合8.6億美元)還要大。

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。

參考來源：

[1] 陶緒堂,穆文祥,賈志泰. 寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵晶體和器件研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)材料進(jìn)展,2020,39(02):113-123.

[2] 張宏哲,王林軍,夏長(zhǎng)泰,賽青林,肖海林. 寬禁帶半導(dǎo)體β-Ga2O3單晶的研究進(jìn)展[J]. 人工晶體學(xué)報(bào),2015,44(11):2943-2953.

[3] 許子皓. 氧化鎵：寬禁帶半導(dǎo)體新勢(shì)力[N]. 中國(guó)電子報(bào),2022-04-22(008).

[4] MASTRO M. A，KURAMATA A，CALKINS J, e al. ECS Journal ofSolid State Science and Technology 0] , 2017, 6( 5) : 356-359.

[5] 李龍,宮學(xué)源,李培剛. 超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵材料的產(chǎn)業(yè)進(jìn)展及未來展望[J]. 新材料產(chǎn)業(yè),2021,(05):14-19.

[6]  HIGASHIWAKI M，KONISHI K，SASAKI K, et al.Temperature-dependent capacitance-voltage and current-voltage characteristics of Pt/GaO; (001) Schottky barrierdiodes fabricated on n-Ga,O; drift layers grown by halidevapor phase epitaxy[J]. Applied Physics Letters, 2016,10813): 133503

[7] 李龍,宮學(xué)源,李培剛. 超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵材料的產(chǎn)業(yè)進(jìn)展及未來展望[J]. 新材料產(chǎn)業(yè),2021,(05):14-19.

[8] ZHANC JC. XIA C T, DENC O, e al. Crowth and characlerization of new transparent conductive oxides single crystals B-Ca, 0,: 5n J

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[9] ZHANC S N, LIAN X Z, MA Y C, et al. Crowth and characlerization of 2-inch high quality B-Ga,0; single crystals grown by

Journal of Semiconductors , 2018 , 39( 8) : 083003.

[10] 練小正,張勝男,程紅娟,齊海濤,金雷,徐永寬. 導(dǎo)模法生長(zhǎng)大尺寸高質(zhì)量β-Ga2O3單晶[J]. 半導(dǎo)體技術(shù),2018,43(08):622-626.

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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