國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)再傳好消息！近日西安郵電大學(xué)由電子工程學(xué)院管理的新型半導(dǎo)體器件與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳海峰教授團(tuán)隊(duì)成功在8吋硅片上制備出了高質(zhì)量的氧化鎵外延片，這一成果標(biāo)志著西安郵電大學(xué)在超寬禁帶半導(dǎo)體研究上取得重要進(jìn)展。

據(jù)陳海峰教授介紹，氧化鎵是一種超寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的耐高壓與日盲紫外光響應(yīng)特性，在功率器件和光電領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。硅上氧化鎵異質(zhì)外延有利于硅電路與氧化鎵電路的直接集成，同時(shí)擁有成本低和散熱好等優(yōu)勢(shì)。
01.氧化鎵技術(shù)連續(xù)取得突破相信很多人都了解以碳化硅、氮化鎵為主的第三代半導(dǎo)體材料，但對(duì)氧化鎵卻少有所聞，氧化鎵是“第四代半導(dǎo)體”的典型代表，憑借其高耐壓、低損耗、高效率、小尺寸等特性，成功進(jìn)入人們的視野。近兩年來(lái)，我國(guó)在氧化鎵的制備上連續(xù)取得突破性進(jìn)展。今年2月28日，中國(guó)電科46所成功制備出我國(guó)首顆6英寸氧化鎵單晶，達(dá)到國(guó)際最高水平。中國(guó)電科46所氧化鎵團(tuán)隊(duì)從大尺寸氧化鎵熱場(chǎng)設(shè)計(jì)出發(fā)，成功構(gòu)建了適用于6英寸氧化鎵單晶生長(zhǎng)的熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，突破了6英寸氧化鎵單晶生長(zhǎng)技術(shù)，可用于6英寸氧化鎵單晶襯底片的研制，將有力支撐我國(guó)氧化鎵材料實(shí)用化進(jìn)程和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2月27日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)校微電子學(xué)院龍世兵教授課題組聯(lián)合中科院蘇州納米所加工平臺(tái)，分別采用氧氣氛圍退火和氮離子注入技術(shù)，首次研制出了氧化鎵垂直槽柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。相關(guān)研究成果日前分別在線發(fā)表于《應(yīng)用物理通信》《IEEE電子設(shè)備通信》上。去年12月，銘鎵半導(dǎo)體完成了4英寸氧化鎵晶圓襯底技術(shù)突破，成為國(guó)內(nèi)首個(gè)掌握第四代半導(dǎo)體氧化鎵材料4英寸相單晶襯底生長(zhǎng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化公司。去年5月，浙大杭州科創(chuàng)中心首次采用新技術(shù)路線成功制備2英寸的氧化鎵晶圓，而使用這種具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)生產(chǎn)的2英寸氧化鎵晶圓在國(guó)際上為首次。作為一種新型超寬禁帶半導(dǎo)體材料，氧化鎵在微電子與光電子領(lǐng)域均擁有廣闊的應(yīng)用前景，可以有效降低新能源汽車、軌道交通、可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域在能源方面的消耗。為進(jìn)一步推動(dòng)氧化鎵產(chǎn)業(yè)發(fā)展，科技部高新司甚至已于2017年便將其列入重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。此外，安徽、北京等省市也將氧化鎵列為了重點(diǎn)研發(fā)對(duì)象。
02.能改變半導(dǎo)體行業(yè)的新技術(shù)？眾所周知，以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，正憑借耐高溫、抗高壓、開關(guān)速度快、效率高、節(jié)能、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)被國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)持續(xù)關(guān)注和布局。目前，寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展勢(shì)頭正猛，“超禁帶半導(dǎo)體”也悄然入局。氧化鎵作為第四代半導(dǎo)體的代表，被視為“替代碳化硅和氮化鎵”的新一代半導(dǎo)體材料。氧化鎵是一種無(wú)機(jī)化合物，化學(xué)式為Ga2O3（三氧化二鎵），是一種寬禁帶半導(dǎo)體。氧化鎵擁有超寬帶隙（4.2-4.9eV）、超高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)（8MV/cm）、超強(qiáng)透明導(dǎo)電性等優(yōu)異物理性能。作為對(duì)比，碳化硅和氮化鎵的帶隙為3.3eV，而硅則僅有1.1eV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到氧化鎵的帶隙，因此，這種新材料可以承受比SiC或GaN器件更高的工作電壓，導(dǎo)通電阻也更低。再加上其能被廣泛采用的天然襯底，不僅可以開發(fā)者可以輕易基于此開發(fā)出小型化，高效的大功率晶體管。而且可以有效降低新能源汽車、軌道交通、可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域在能源方面的消耗，是制造大功率半導(dǎo)體主要材料，能使半導(dǎo)體耐受更高電壓及溫度，因此在智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景。此外，氧化鎵薄膜對(duì)應(yīng)的吸收波長(zhǎng)為253nm，處在太陽(yáng)光盲區(qū)（240-280 nm）波段中，因此是制備太陽(yáng)光盲深紫外探測(cè)器的理想材料。因此，氧化鎵在日盲紫外（200-300 nm波段）器件和超高功率（1-10 kW）電力電子器件方面有著無(wú)法取代的應(yīng)用價(jià)值。另一個(gè)角度看，氧化鎵擁有更加易于制造的天然襯底，載流子濃度的控制以及固有的熱穩(wěn)定性。相關(guān)論文表示，用Si或Sn對(duì)Ga2O3進(jìn)行N型摻雜時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)良好的可控性。盡管某些UWBG半導(dǎo)體（例如AlN，c-BN和金剛石）在BFOM圖表中擊敗了Ga2O3，但它們的廣泛使用受到了嚴(yán)格的限制。換而言之，AlN，c-BN和金剛石仍然缺乏高質(zhì)量外延生長(zhǎng)的合適襯底。最后，從損耗上來(lái)看，理論數(shù)據(jù)顯示氧化鎵的損耗是硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化鎵的1/3，更少的損耗也就意味著能更好地節(jié)省成本。另外，氧化鎵單晶可通過(guò)熔融法實(shí)現(xiàn)，單晶襯底成本更低，這都讓產(chǎn)業(yè)界人士對(duì)氧化鎵的未來(lái)有了很高的期待。從制造工藝來(lái)說(shuō)，氧化鎵的生長(zhǎng)分為襯底材料的生長(zhǎng)和薄膜的生長(zhǎng)；氧化鎵單晶襯底材料的生長(zhǎng)方法有升華法，提拉法和HVPE等；氧化鎵單晶薄膜的生長(zhǎng)技術(shù)有金屬有機(jī)氣相沉積法和分子束外延法，其中MOCVD法質(zhì)量較高，可實(shí)現(xiàn)多片快速生長(zhǎng)，適用于工業(yè)化生產(chǎn)，生長(zhǎng)采用的金屬有機(jī)源為三甲基鎵，氧源為高純氧氣，生長(zhǎng)溫度為550-700攝氏度。
03.導(dǎo)熱性低、成本高等問(wèn)題尚待優(yōu)化在上文中，我們已經(jīng)詳細(xì)的講解了氧化鎵作為新一代半導(dǎo)體材料所具備的優(yōu)勢(shì)，但要像大規(guī)模落地，還有一些需要解決的缺點(diǎn)：一是氧化鎵導(dǎo)熱性低，在目前已知的所有可用于射頻放大或功率切換的半導(dǎo)體中，氧化鎵的導(dǎo)熱性最差。其熱導(dǎo)率只有金剛石的1／60，碳化硅（高性能射頻氮化鎵的基底）的1／10，約為硅的1／5。低熱導(dǎo)率意味著晶體管中產(chǎn)生的熱量可能會(huì)停留，有可能極大地限制器件的壽命。二是成本問(wèn)題，上文中提到氧化鎵器件的損耗更低，但要知道氧化鎵襯底主要采用導(dǎo)模法進(jìn)行生產(chǎn)，導(dǎo)模法需要在1800℃左右的高溫、含氧環(huán)境下進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求很高，需要耐高溫、耐氧，還不能污染晶體等特性的材料做坩堝，綜合考慮性能和成本只有貴金屬銥適合盛裝氧化鎵熔體。而銥的價(jià)格極其昂貴，接近黃金的三倍，僅坩堝造價(jià)就超過(guò)600萬(wàn)，從大規(guī)模生產(chǎn)角度很難擴(kuò)展設(shè)備數(shù)量，另一方面，銥只能依賴進(jìn)口，給供應(yīng)鏈帶來(lái)很大風(fēng)險(xiǎn)。三是氧化鎵器件目前僅有N型材料，而一般大規(guī)模應(yīng)用的半導(dǎo)體材料需要P型和N型共同存在，形成PN結(jié)從而參照Si的器件結(jié)構(gòu)和工藝直接制造MOS、IGBT等多種器件，才能有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用。
04.市場(chǎng)新風(fēng)口，未來(lái)前景有多大？近年來(lái)，以碳化硅、氮化鎵為主的第三代半導(dǎo)體材料需求爆發(fā)，成為資本市場(chǎng)追逐的對(duì)象。如今，以氧化鎵為代表的第四代半導(dǎo)體材料的閃亮登場(chǎng)，有望成為半導(dǎo)體賽道的新風(fēng)口。根據(jù)日本氧化鎵企業(yè)FLOSFIA預(yù)計(jì)，2025年氧化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模將開始超過(guò)氮化鎵，2030年達(dá)到15.42億美元（約人民幣100億元），達(dá)到碳化硅的40％，達(dá)到氮化鎵的1.56倍。單看新能源車市場(chǎng)，2021年全球新能源車銷量650萬(wàn)輛，新能源汽車滲透率為14.8％，而碳化硅的滲透率為9％，隨著新能源車的滲透率提高，市場(chǎng)規(guī)模將逐步擴(kuò)大，目前碳化硅、氮化鎵還遠(yuǎn)未達(dá)到能夠左右市場(chǎng)的程度，相比之下氧化鎵的發(fā)展窗口非常充裕。全球功率器件市場(chǎng)和氧化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模（百萬(wàn)美元）在射頻器件市場(chǎng)，氧化鎵的市場(chǎng)容量可參考碳化硅外延氮化鎵器件的市場(chǎng)。碳化硅半絕緣型襯底主要用于5G****、衛(wèi)星通訊、雷達(dá)等方向，2020年碳化硅外延氮化鎵射頻器件市場(chǎng)規(guī)模約8.91億美元，2026年將增長(zhǎng)至22.22億美元（約人民幣150億元）。碳化硅外延氮化鎵器件的市場(chǎng)規(guī)模（百萬(wàn)美元）從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，氧化鎵在以下方面將會(huì)得到長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展：1．功率電子氧化鎵功率器件跟氮化鎵、碳化硅有部分重合，在軍民應(yīng)用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。在軍用領(lǐng)域可用于高功率電磁炮、坦克戰(zhàn)斗機(jī)艦艇等電源控制系統(tǒng)以及抗輻照、耐高溫宇航用電源等，可大幅降低武器裝備系統(tǒng)損耗，減小熱冷系統(tǒng)體積和重量，滿足軍事應(yīng)用部件對(duì)小型化、輕量化、快速化與抗輻照耐高溫的要求；在民用領(lǐng)域可用于電網(wǎng)、電力牽引、光伏、電動(dòng)汽車、家用電器、醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)類電子等領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)更大的節(jié)能減排；2．襯底材料氧化鎵能通過(guò)提拉法快速制備，是一種有潛力的襯底材料，可用來(lái)制備大功率GaN基LED，也可以利用同質(zhì)外延制備新型氧化鎵基功率電子器件；3．透明導(dǎo)電氧化物薄膜氧化鎵晶體化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易被腐蝕，機(jī)械強(qiáng)度高，高溫下性能穩(wěn)定，有高的可見光和紫外光的透明度，尤其是其在紫外和藍(lán)光區(qū)域透明，這是傳統(tǒng)的透明導(dǎo)電材料所不具備的，因此β－Ga2O3單晶可以成為新一代透明導(dǎo)電材料，在太陽(yáng)能電池、平板顯示技術(shù)上得到應(yīng)用；4．日盲紫外光探測(cè)器及氣體傳感器由于氧化鎵高溫下性能穩(wěn)定，有高的可見光和紫外光的透明度，尤其是在紫外和藍(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。
05.日本遙遙領(lǐng)先，國(guó)內(nèi)奮起直追縱觀氧化鎵發(fā)展歷史，日本遙遙領(lǐng)先全球并引領(lǐng)其商業(yè)化。早在2008年，京都大學(xué)的藤田教授就發(fā)布了氧化鎵深紫外線檢測(cè)和SchottkyBarrier Junction、藍(lán)寶石（Sapphire）晶圓上的外延生長(zhǎng)（Epitaxial Growth）等研發(fā)成果。2012年，日本率先獲得2英寸氧化鎵材料，并于2014年實(shí)現(xiàn)了批量產(chǎn)業(yè)化，隨后又實(shí)現(xiàn)了4英寸氧化鎵材料的突破及產(chǎn)業(yè)化；2015年，推出了高質(zhì)量氧化鎵單晶襯底；2016年又推出了同質(zhì)外延片，此后基于氧化鎵材料的器件研究成果開始爆發(fā)式出現(xiàn)，各國(guó)開始爭(zhēng)相布局。在國(guó)際上，有三家公司作為氧化鎵襯底、晶圓和器件的開發(fā)商和制造商脫穎而出，分別是美國(guó)的Kyma Technologies和日本的FLOSFIA和Novel Crystal Technology。2021年，Novel CrystalTechnology全球首次量產(chǎn)了100mm 4英寸的“氧化鎵”晶圓。2022年，Novel CrystalTechnology與大陽(yáng)日酸株式會(huì)社、東京農(nóng)業(yè)技術(shù)大學(xué)合作，將備受關(guān)注的氧化鎵（β－Ga2O3）用HVPE法成功地在6英寸晶圓上沉積。FLOSFIA則是在2022年，與三菱重工、豐田汽車子公司電裝和大規(guī)模生產(chǎn)使用氧化鎵（硅的替代品）作為半導(dǎo)體材料的功率半導(dǎo)體。國(guó)內(nèi)方面也有不少企業(yè)開始布局氧化鎵領(lǐng)域，比如：北京鎵族科技，成立于2017年，專業(yè)從事超寬禁帶（第四代）半導(dǎo)體氧化鎵材料開發(fā)及器件芯片應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)公司，涵蓋完整的產(chǎn)業(yè)中試產(chǎn)線，具備研發(fā)和小批量生產(chǎn)能力，初步構(gòu)建了氧化單晶襯底、氧化鎵異質(zhì)／同質(zhì)外延襯底生產(chǎn)和研發(fā)平臺(tái)。杭州富加鎵業(yè)，成立于2019年，是由中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所與杭州市富陽(yáng)區(qū)政府共建的“硬科技”產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)——杭州光機(jī)所孵化的科技型企業(yè)，專注于寬禁帶半導(dǎo)體材料研發(fā)，最初技術(shù)來(lái)源于中科院上海光機(jī)所技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，主要從事氧化鎵單晶材料設(shè)計(jì)、模擬仿真、生長(zhǎng)及性能表征等工作。北京銘鎵半導(dǎo)體，成立于2020年，是國(guó)內(nèi)專業(yè)從事氧化鎵材料及其功率器件產(chǎn)業(yè)化的高新企業(yè)，專注于新型超寬禁帶半導(dǎo)體材料氧化鎵的高質(zhì)量單晶與外延襯底、高靈敏度日盲紫外探測(cè)器件和高頻大功率器件等產(chǎn)業(yè)化高新技術(shù)的研發(fā)。目前，銘鎵半導(dǎo)體已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)2英寸氧化鎵襯底材料，突破4英寸技術(shù)，是目前唯一可實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)工業(yè)級(jí)“氧化鎵”半導(dǎo)體晶片小批量供貨中國(guó)廠家，已完成兩輪融資。深圳進(jìn)化半導(dǎo)體，立于2021年，是一家專業(yè)從事第四代半導(dǎo)體氧化鎵（Ga2O3）晶片研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的半導(dǎo)體企業(yè)，是少有的擁有氧化鎵的單晶爐設(shè)計(jì)、熱場(chǎng)設(shè)計(jì)、生長(zhǎng)工藝、晶體加工等全系列自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)的氧化鎵單晶襯底生產(chǎn)商之一。
06.氧化鎵產(chǎn)業(yè)化初期，國(guó)產(chǎn)“突圍”有望目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于氧化鎵半導(dǎo)體十分看重，早在2018年，我國(guó)已啟動(dòng)了包括氧化鎵、金剛石、氮化硼等在內(nèi)的超寬禁帶半導(dǎo)體材料的探索和研究。2022年，科技部將氧化鎵列入“十四五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。除了上文列舉的幾家國(guó)內(nèi)廠商以外，國(guó)內(nèi)氧化鎵材料研究單位還有中電科46所、上海光機(jī)所等等，還有數(shù)十家高校院所積極展開氧化鎵項(xiàng)目的研發(fā)工作，積累了豐富的技術(shù)成果。隨著市場(chǎng)需求持續(xù)旺盛，這些科研成果有望逐步落地。由于全球氧化鎵產(chǎn)業(yè)均在產(chǎn)業(yè)化的前期，這或許可以幫助國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體在全球半導(dǎo)體競(jìng)爭(zhēng)中實(shí)現(xiàn)“突圍”。 

*博客內(nèi)容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀點(diǎn)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系工作人員刪除。