據(jù)日本媒體報(bào)道,，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省(METI)加大對(duì)新一代低能耗半導(dǎo)體材料“氧化鎵”的重視,，為致力于開發(fā)新材料的企業(yè)提供大量財(cái)政支持,，及METI將為明年留出大約2030萬(wàn)美元去資助相關(guān)企業(yè),，預(yù)計(jì)未來(lái)5年的資助將超過8560萬(wàn)美元。

經(jīng)歷了日美“廣場(chǎng)協(xié)定”的日本 在半導(dǎo)體領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)完全轉(zhuǎn)移到了材料和設(shè)備方面,，如在硅片方面,，日本的幾家公司名列前茅，各種用在半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的氣體和化合物方面,，日本也不遑多讓,。

最近內(nèi)國(guó)內(nèi)媒體常提到的EUV光刻方面，雖然日本并沒有提供相應(yīng)光刻機(jī),，但他們幾乎壟斷了全球的EUV光刻膠供應(yīng),，所以他們看好的半導(dǎo)體材料，是有一定的代表意義的,。

在這里，我們來(lái)深入了解一下日本看好的這項(xiàng)半導(dǎo)體材料是什么,。

1,、什么是氧化鎵?

氧化鎵(Ga2O3)是一種新興的超寬帶隙(UWBG)半導(dǎo)體，擁有4.8eV的超大帶隙,。作為對(duì)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熱穩(wěn)定性,、更高的電壓、再加上其能被廣泛采用的天然襯底,，讓開發(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。這也是為什么在以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(jìn)步的時(shí)候,，Ga2O3仍然吸引了開發(fā)者的廣泛興趣,。

2、Si,，SiC,，GaN和Ga2O3對(duì)比

從器件的角度來(lái)看，Ga2O3的Baliga品質(zhì)因子要比SiC高出二十倍,。對(duì)于各種應(yīng)用來(lái)說,，陶瓷氧化物的帶隙約為5eV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SiC和GaN的帶隙,，后兩者都不到到3.5eV,。因此，這種陶瓷氧化物器件可以承受比SiC或GaN器件更高的工作電壓,，導(dǎo)通電阻也更低,。

再?gòu)牧硪粋€(gè)角度看,，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)定性也推動(dòng)了Ga2O3器件的發(fā)展,。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,。

相關(guān)報(bào)道指出,，Ga2O3具有五個(gè)不同的相態(tài)，其中,，α相具有與Al2O3或藍(lán)寶石相同的剛玉型晶體結(jié)構(gòu),，這為研究者們?cè)谒{(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)無(wú)應(yīng)力Ga2O3層的沉積的提供了研發(fā)思路。

相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,，從數(shù)據(jù)上看,，氧化鎵的損耗理論上是硅的1/3,000、碳化硅的1/6,、氮化鎵的1/3,。這就讓產(chǎn)業(yè)界人士對(duì)其未來(lái)有很高的期待。而成本更是讓其成為一個(gè)吸引產(chǎn)業(yè)關(guān)注的另一個(gè)重要因素,。

3,、按步驟劃分的Ga2O3襯底制造成本

據(jù)市場(chǎng)調(diào)查公司-富士經(jīng)濟(jì)于2019年6月5日公布的寬禁帶功率半導(dǎo)體元件的全球市場(chǎng)預(yù)測(cè)來(lái)看，2030年氧化鎵功率元件的市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)達(dá)到1,542億日元(約人民幣92.76億元),，這個(gè)市場(chǎng)規(guī)模要比氮化鎵功率元件的1,085億日元規(guī)模還要大,。

4、行業(yè)的領(lǐng)先廠商

既然這個(gè)材料擁有這么領(lǐng)先的性能,，自然在全球也有不少的公司投入其中,。首先看日本方面，據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)觀察了解,，京都大學(xué)投資的Flosfia,、NICT和田村制作所投資的Novel Crystal是最領(lǐng)先的Ga2O3供應(yīng)商。

相關(guān)資料顯示,，F(xiàn)losfia成立于2011年3月,，由京都大學(xué)研究人員Toshimi Hitora，Shizuo Fujita和Kentaro Kaneko共同創(chuàng)立,，不同于世界其他地區(qū)對(duì)GaN或SiC外延生長(zhǎng)的方法研究,，F(xiàn)losfia的研究人員開發(fā)了一種新型的制備方法,，它是將氧化鎵層沉積于藍(lán)寶石襯底上來(lái)制備功率器件。這主要依賴于其一項(xiàng)名為“Mist Epitaxy”(噴霧干燥法)的化學(xué)氣相沉積工藝,。

5,、Mist Epitaxy簡(jiǎn)單介紹

我們知道，傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition;CVD)是在真空狀態(tài)下借反應(yīng)氣體間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生所需要的薄膜,，但大面積化有其困難,，花費(fèi)成本大也是問題點(diǎn)之一。但Flosfia所采用的Mist Epitaxy是將液體霧化之后再應(yīng)用至成膜制程上,。由于原料為液體,，所以原料的選擇性大幅提高，不需真空處理亦使得大面積化變得可行,，這就有助于降低成本支出,。

按照Flosfia官方所說，他們所產(chǎn)生的MISTDRY技術(shù)使他們能夠基于氧化鎵制造二極管和晶體管,，而這些二極管和晶體管只需要比以前的體積少十分之一的電源,。

6、傳統(tǒng)SBD同樣Flosfia的SBD的對(duì)比

從官網(wǎng)可以看到,，公司在2015年所首發(fā)的肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)已經(jīng)送樣，而其521V耐壓器件的導(dǎo)通電阻僅為為0.1mΩcm,，855V耐壓的SBD導(dǎo)通電阻也只是為0.4mΩcm,。由此足以見證到這些器件的優(yōu)勢(shì)。

因?yàn)椴牧蠈傩缘脑?，有專家認(rèn)為用氧化鎵無(wú)法制造P型半導(dǎo)體,。但京都大學(xué)的Shizuo Fujita與Flosfia合作在2018年成功開發(fā)出具有藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)的Ga2O3絕緣效應(yīng)晶體管(MOSFET)，根據(jù)這項(xiàng)研究的結(jié)果,，功率轉(zhuǎn)換器的小型化可能會(huì)達(dá)到十分之幾,，并且降低成本的效果有望達(dá)到總功率轉(zhuǎn)換器的50%。這就讓這項(xiàng)技術(shù)和產(chǎn)品有望應(yīng)用于需要安全性的各種電源中,，并有望支持電動(dòng)汽車和小型AC適配器的普及,。

同樣也是在2018年，電裝與Flosfia決定共同開發(fā)面向車載應(yīng)用的下一代Power半導(dǎo)體材料氧化鎵(α-Ga2O3),。據(jù)電裝表示,，通過這兩家公司對(duì)面向車載的氧化鎵(α-Ga2O3)的聯(lián)合開發(fā)，汽車電動(dòng)化的主要單元PCU的技術(shù)革新指日可待,。此技術(shù)將對(duì)電動(dòng)汽車的更輕量化發(fā)展,，燃料費(fèi)用的節(jié)約改善起到積極作用，從而實(shí)現(xiàn)人,、車,、環(huán)境和諧共存,。

從Flosfia的報(bào)道可以看到，他們也計(jì)劃今年擴(kuò)大規(guī)模,，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),。

Novel Crystal Technology(以下簡(jiǎn)稱NCT)則成立于2015年，公司所采用的方案是基于HVPE生長(zhǎng)的Ga2O3平面外延芯片,，他們的目標(biāo)是加快超低損耗,，低成本β-Ga2O3功率器件的產(chǎn)品開發(fā)。開發(fā)出β-Ga2O3功率器件,。

資料顯示,，NCT已經(jīng)成功開發(fā)，制造和銷售了直徑最大為4英寸的氧化鎵晶片,。而在2017年11月,，Nove Crystal Technology與Tamura Corporation合作成功開發(fā)了世界上第一個(gè)由氧化鎵外延膜制成的溝槽MOS型功率晶體管，其功耗僅為傳統(tǒng)硅MOSFET的1/1000,。

7,、氧化鎵溝槽MOS型功率晶體管的示意圖

按照他們的規(guī)劃，從2019財(cái)年下半年開始,，NCT將開始提供擊穿電壓為650-V的β-Ga2O3溝槽型SBD的10-30 A樣品,。他們還打算從2021年開始推進(jìn)大規(guī)模生產(chǎn)的準(zhǔn)備工作。公司還致力于快速開發(fā)100A級(jí)別的β-Ga2O3功率器件,。

自2012年以后,，業(yè)界不斷公布關(guān)于氧化稼功率元件的研發(fā)、試做成果,。迄今為止,，已經(jīng)試做了橫型MES FET、橫型MOS FET,、Normally Off的縱型MIS FET,。在SBD的實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)證明了氮化鎵器件的導(dǎo)通電阻比碳化硅的SBD低得多!在初級(jí)試驗(yàn)階段就可以證明其性能超過碳化硅功率元件,。而現(xiàn)在參加研發(fā)的日本企業(yè)持續(xù)增加,。

來(lái)到美國(guó)方面，在今年六月,，美國(guó)紐約州立大學(xué)布法羅分校(the University at Buffalo)正在研發(fā)一款基于氧化鎵的晶體管,，據(jù)他們介紹，基于這種晶體管打造的器件能夠處理8000V以上的電壓,，而且只有一張紙那么薄,。可以幫助制造出更小、更高效的電子系統(tǒng),，用在電動(dòng)汽車,、機(jī)車和飛機(jī)等場(chǎng)景。

此外,，美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué),、美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室和韓國(guó)大學(xué)的研究人員也在研究氧化鎵MOSFET。佛羅里達(dá)大學(xué)材料科學(xué)與工程教授Stephen Pearton表示,，它們看好氧化鎵作為MOSFET的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

8,、中國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的現(xiàn)狀

面對(duì)這項(xiàng)新技術(shù)，國(guó)內(nèi)表現(xiàn)又是如何呢? 讓我們從網(wǎng)上的材料一窺其蛛絲馬跡,。

據(jù)觀察者網(wǎng)在2019年2月的報(bào)道,，中國(guó)電科46所經(jīng)過多年氧化鎵晶體生長(zhǎng)技術(shù)探索，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,，有效解決了晶體生長(zhǎng)過程中原料分解、多晶形成,、晶體開裂等問題,，采用導(dǎo)模法成功制備出高質(zhì)量的4英寸氧化鎵單晶。報(bào)道指出,，中國(guó)電科46所制備的氧化鎵單晶的寬度接近100mm,，總長(zhǎng)度達(dá)到250mm，可加工出4英寸晶圓,、3英寸晶圓和2英寸晶圓,。經(jīng)測(cè)試，晶體具有很好的結(jié)晶質(zhì)量,，將為國(guó)內(nèi)相關(guān)器件的研制提供有力支撐。

在2019年12月,，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員歐欣課題組和西安電子科技大學(xué)郝躍課題組教授韓根全攜手,。在氧化鎵功率器件領(lǐng)域取得了新進(jìn)展。

據(jù)中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所報(bào)道,，歐欣課題組和韓根全課題組利用“萬(wàn)能離子刀”智能剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù),，首次將晶圓級(jí)β-Ga2O3單晶薄膜(<400 nm)與高導(dǎo)熱的Si和4H-SiC襯底晶圓級(jí)集成，并制備出高性能器件,。報(bào)道指出,，該工作在超寬禁帶材料與功率器件領(lǐng)域具有里程碑式的重要意義。首先,，異質(zhì)集成為Ga2O3晶圓散熱問題提供了最優(yōu)解決方案,，勢(shì)必推動(dòng)高性能Ga2O3器件研究的發(fā)展;其次，該研究將為我國(guó)Ga2O3基礎(chǔ)研究和工程化提供優(yōu)質(zhì)的高導(dǎo)熱襯底材料,，推動(dòng)Ga2O3在高功率器件領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用,。

而在今年六月，復(fù)旦大學(xué)方志來(lái)團(tuán)隊(duì)在p型氧化鎵深紫外日盲探測(cè)器研究中取得重要進(jìn)展,。報(bào)道表示,，方志來(lái)團(tuán)隊(duì)采用固-固相變?cè)粨诫s技術(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高摻雜濃度,、高晶體質(zhì)量與能帶工程,，從而部分解決了氧化鎵的p型摻雜困難問題。

9,、結(jié)語(yǔ)

可以肯定的是,，氧化鎵是一個(gè)很好的材料，但從西安電子科技大學(xué)郝躍院士在《半導(dǎo)體學(xué)報(bào)》的報(bào)道看來(lái),，氧化鎵氧的低熱導(dǎo)率問題值得關(guān)注,，而P型摻雜依然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

其他挑戰(zhàn)還包括研制出具有低缺陷密度高可靠的柵介質(zhì),、更低阻值的歐姆接觸,、更有效的終端技術(shù)比如場(chǎng)版和金屬環(huán)用來(lái)提高擊穿電場(chǎng)、更低缺陷密度及更耐壓的Ga2O3外延層以及更大更便宜的單晶襯底,。

氧化鎵功率器件為高效能功率器件的選擇提供新的方案,，它的未來(lái)將大放光彩。