在后摩爾時代,，具有先天性能優(yōu)勢的寬禁帶半導體材料脫穎而出，以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導體,，憑借其大幅降低電力傳輸中能源消耗的顯著優(yōu)勢,，在功率器件和射頻器件領域大放異彩，成為全球半導體行業(yè)的研究焦點,。
碳化硅和氮化鎵我們可能已經(jīng)比較熟悉,，同為寬禁帶半導體的氧化鎵(Ga2O3)則是更加新興的領域。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,、應用范圍更廣，是被國際普遍關注并認可已開啟產(chǎn)業(yè)化的第四代半導體材料,。其他的第四代半導體還包括金剛石(Diamond) ,、氮化鋁(AlN) ，這些材料中只有氧化鎵已經(jīng)實現(xiàn)大尺寸突破(6英寸),，預計未來3-5年可以實現(xiàn)大規(guī)模應用,。
據(jù)市場調查公司富士經(jīng)濟于2019年6月5日公布的《Wide Gap 功率半導體元件》全球市場預測來看,，2030年氧化鎵功率元件的市場規(guī)模將會達到1542億日元(約人民幣92.76億元),，這個市場規(guī)模甚至超過氮化鎵功率元件的規(guī)模(1085億日元，約人民幣65.1億元),。
氧化鎵是什么樣的半導體材料?
資料顯示,，氧化鎵是一種新型超寬禁帶半導體材料。超禁帶半導體分兩個方向,，一是超窄禁帶,，禁帶寬度(指被束縛的價電子產(chǎn)生本征激發(fā)所需要的最小能量)在零點幾電子伏特(eV)，比超窄禁帶更窄的材料便稱為導體;二是超寬禁帶,，如禁帶寬度在4.9eV的氧化鎵,，以及更高的金剛石、氮化鋁等,，當禁帶寬度超過6.2eV,，基本上就是絕緣體。目前來看,，超禁帶半導體將會是最后一代半導體,，尤其是金剛石很早就被稱為“終極半導體”。
與碳化硅3.25eV,、氮化鎵3.4eV的帶隙相比,，氧化鎵分為α,、β、γ,、δ和ε五種結晶形態(tài),，其中最為穩(wěn)定的是β-氧化鎵，其次是ε和α,，目前大部分研究和開發(fā)也是針對禁帶寬度在4.7eV和4.9eV之間的β-氧化鎵進行,。而且β-氧化鎵的生長速率快于碳化硅和氮化鎵，襯底工藝也相對較簡單,。
β相氧化鎵晶體結構
隨著氧化鎵晶體生長技術的突破性進展,，氧化稼和藍寶石一樣，可以從溶液狀態(tài)轉化成塊狀(Bulk)單結晶狀態(tài),?？梢酝ㄟ^運用與藍寶石晶圓生產(chǎn)技術相同的EFG(Edge-defined Film-fed Growth)方法，做出氧化鎵晶圓,，成熟的生產(chǎn)工藝會大幅度降低生產(chǎn)成本,。
超大的禁帶寬度確保了氧化鎵的抗輻照和抗高溫能力，可以在超低溫,、強輻射等極端環(huán)境下保持穩(wěn)定的性質,。而其高擊穿場強(~8 MV/cm)的特性確保了制備的氧化鎵器件可以在超高電壓下使用，低的導通電阻(相同耐壓下約是GaN 基器件的1/3)和大的巴利加優(yōu)值(Baliga)BFOM指數(shù)(分別是GaN和SiC的四倍和十倍)則有利于提高載流子收集效率和導通特性,。
各國爭相布局氧化鎵,，日本再次領先
雖然目前還處于研發(fā)階段，但各國半導體企業(yè)都在爭相布局氧化鎵,。不同的是,，研究氧化鎵功率元件并進行開發(fā)的主體并不是Cree、Rohm,、ST,、Infineon、Bosch,、OnSemi等功率半導體和元器件龍頭企業(yè),，而是初創(chuàng)企業(yè)。未來主要應用場景包括通信,、雷達,、航空航天、高鐵動車,、新能源汽車等領域的輻射探測領域的傳感器芯片,，以及在大功率和超大功率芯片。
今年4月,，韓國30家半導體企業(yè),、大學以及研究所組建了碳化硅產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,，目的是為了應對急速增長的碳化硅、氮化鎵,、氧化鎵等寬禁帶半導體所引領的新型功率半導體市場,。
日本在氧化鎵研究上是最前沿的，其氧化鎵功率元件方向的研發(fā)始于以下三位：日本國立信息通信技術研究所(NICT)的東脅正高先生,、京都大學的藤田靜雄教授,、田村(Tamura)制作所的倉又朗人先生。
NICT的東脅先生于2010年3月結束在美國大學的赴任并返回日本,。2012年,，NICT開發(fā)出了世界首個單晶β-氧化鎵場效應晶體管(MESFET)，其擊穿電壓達到250V以上;達到這個里程碑,，氮化鎵用了近20年,。此后不久又報道了肖特基勢壘二極管(SBD)，給業(yè)界打開了氧化鎵新應用的大門,。
京都大學的藤田教授于2008年發(fā)布了氧化鎵深紫外線檢測和Schottky Barrier Junction,、藍寶石(Sapphire)晶圓上的外延生長(Epitaxial Growth)等研發(fā)成果后，又通過利用獨自研發(fā)的“霧化法”薄膜生產(chǎn)技術(Mist CVD法)致力于研發(fā)功率元件,。
倉又先生在田村(Tamura)制作所負責研發(fā)LED方向的氧化鎵單晶晶圓,，并將應用在功率半導體方向。
三人的接觸與新能源·產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構(NEDO)于2011年度提出的“節(jié)能革新技術開發(fā)事業(yè)—挑戰(zhàn)研發(fā)(事前研發(fā)一體型),、超耐高壓氧化鎵功率元件的研發(fā)”這一委托研發(fā)事業(yè)有一定關聯(lián),，接受委托的是NICT、京都大學,、田村制作所等,。可以說,，由這一委托開啟了氧化鎵功率元件的正式研發(fā)。
2011年,，京都大學投資成立了公司“FLOSFIA”;在2015年,，NICT和田村制作所合作投資成立了氧化鎵產(chǎn)業(yè)化企業(yè)“Novel Crystal Technology”，簡稱“NCT”?，F(xiàn)在,，這兩家企業(yè)是日本氧化鎵研發(fā)的中堅企業(yè)，也是世界上唯二兩家能夠量產(chǎn)氧化鎵材料及器件的企業(yè),。
2015年,，日本推出了高質量氧化鎵單晶襯底，2016年又推出了同質外延片,，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),，國際上開始了氧化鎵領域的瘋狂競賽,。
日前， NCT與日本酸素控股旗下的大陽日酸,、東京農(nóng)工大學合作實現(xiàn)了氧化鎵功率半導體的6英寸成膜,，突破了只能在最大4英寸晶圓上成膜的技術瓶頸，此技術有望把成本降至碳化硅功率半導體的1/3,。目前NCT公司采用導模法(EFG法),，幾乎供應了全球100%的氧化鎵襯底，EFG法是當前唯一能制造大尺寸氧化鎵襯底的工藝,。
西方國家方面,，美國空軍研究室(AFRL)在2012年注意到了NICT的成功，研究員Gregg Jessen領導的團隊探索了氧化鎵材料的特性,，建立了美國的氧化鎵研究基礎,，獲得了首批樣品。
之后美國空軍研究實驗室,、美國海軍實驗室和美國宇航局,，積極尋求與美國高校和全球企業(yè)合作，開發(fā)耐更高電壓,、尺寸更小,、更耐輻照的氧化鎵功率器件。Kelson Chabak接任團隊負責人后,，他們從唯一的商業(yè)供應商Tamura采購了襯底,，并聯(lián)系了Tamura投資的NCT購買外延片，同時也從德國萊布尼茨晶體生長研究所(IKZ)采購外延片,。
2020年4月,，美國紐約州立大學布法羅分校(the University at Buffalo)宣稱他們正在研發(fā)一款基于氧化鎵的晶體管，能夠承受8000V以上的電壓,，而且只有一張紙那么薄,。該團隊在2018年制造了一個由5微米厚(一張紙厚約100微米)的氧化鎵制成的MOSFET，擊穿電壓為1,850 V,。該產(chǎn)品將用于制造更小,、更高效的電子系統(tǒng)，應用在電動汽車,、機車和飛機上,。
在電流和電壓需求方面Si，SiC,，GaN和GaO功率電子器件的應用
德國萊布尼茨晶體生長研究所,、法國圣戈班等全球企業(yè)、科研機構也加入了氧化鎵材料及器件研發(fā)的浪潮中，這種半導體材料可謂是吸引了世界的廣泛關注,。
我國其實開展氧化鎵研究已經(jīng)十余年,，但研究更集中于科研領域，直到近年來46所的技術突破才逐漸實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,。雖然產(chǎn)業(yè)化進程比日本要緩慢,，但是比美國要快得多。今年我國科技部將氧化鎵列入“十四五重點研發(fā)計劃”,，從公開資料能了解到目前從事氧化鎵材料和器件研究的單位和企業(yè),，主要是中電科46所、西安電子科技大學,、山東大學,、上海光機所、上海微系統(tǒng)所,、復旦大學,、南京大學等高校及科研院所，科技成果轉化的公司有深圳進化半導體,、北京鎵族科技,、杭州富加鎵業(yè)。
中國研究成果之：高耐壓氧化鎵二極管
近日,，中國科大微電子學院龍世兵教授課題組兩篇論文入選第34屆功率半導體器件和集成電路國際會議(ISPSD,，全稱為：IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs)。ISPSD是功率半導體器件和集成電路領域國際頂級學術會議,。
能源,、信息、國防,、軌道交通,、電動汽車等領域的快速發(fā)展，對功率半導體器件性能提出了更高的要求,，高耐壓,、低損耗、大功率器件成為未來發(fā)展的趨勢,。氧化鎵作為新一代功率半導體材料,，禁帶寬帶大、抗極端環(huán)境強,，有望在未來功率器件領域發(fā)揮極其重要的作用。
但氧化鎵功率半導體器件推向產(chǎn)業(yè)化仍然有很多問題,，包括邊大尺寸高質量單晶的制作,、熱導率極低導致散熱難、緣峰值電場難以抑制、增強型晶體管難以實現(xiàn)等,。中科大課題組針對后兩個痛點分別做了如下工作：
目前,，由于氧化鎵P型摻雜仍然存在挑戰(zhàn)，氧化鎵同質PN結作為極其重要的基礎器件暫時難以實現(xiàn),，導致氧化鎵二極管器件缺乏采用同質PN結抑制陽極邊緣峰值電場(例如場環(huán),、結終端擴展等)。為此,，采用其他合適的P型氧化物材料與氧化鎵形成異質結是一種可行解決方案,。P型半導體NiO由于禁帶寬度大及可控摻雜的特點，是目前較好的選擇,。
該課題組基于NiO生長工藝和異質PN的前期研究基礎
(Weibing Hao, et.al., Applied Physics Letters, 118, 043501, 2021),，設計了結終端擴展結構(Junction Termination Extension, JTE)，并優(yōu)化退火工藝,，成功制備出耐高壓且耐高溫的氧化鎵異質結二極管,。該研究采用的JTE設計能夠有效緩解NiO/Ga2O3結邊緣電場聚集效應，提高器件的擊穿電壓,。退火工藝能夠極大降低異質結的反向泄漏電流,，提高電流開關比。最終測試結果表明該器件具有2.5mΩ·cm2的低導通電阻和室溫下2.66 kV的高擊穿電壓,，其功率品質因數(shù)高達2.83 GW/cm2,。此外，器件在250 °C下仍能保持1.77 kV的擊穿電壓,，表現(xiàn)出極好的高溫阻斷特性,，這是領域首次報道的高溫擊穿特性。研究成果以“2.6 kV NiO/Ga2O3Heterojunction Diode with Superior High-Temperature Voltage Blocking Capability”為題發(fā)表在ISPSD 2022上,。第一作者為中科大微電子學院博士生郝偉兵,，微電子學院龍世兵教授和徐光偉特任副研究員為論文共同通訊作者。
結終端擴展NiO/β-Ga2O3異質結二極管(a)截面示意圖和器件關鍵制造細節(jié),，(b)與已報道的氧化鎵肖特基二極管及異質結二極管的性能比較,。
中國研究成果之：增強型氧化鎵場效應晶體管
增強型晶體管具有誤開啟自保護功能，且僅需要單電源供電,，因此在功率應用中通常選用增強型器件,。但由于氧化鎵P型摻雜技術缺失，場效應晶體管一般為耗盡型器件,，增強型結構難以設計和實現(xiàn),。常見的增強型設計方案往往會大幅提升器件的開態(tài)電阻，導致過高的導通損耗,。
針對上述問題,，中科大課題組在原有增強型晶體管設計基礎上(Xuanze Zhou, et.al., IEEE Transactions on Electron Devices, 68, 1501-1506, 2021),，引入了同樣為寬禁帶半導體材料的P型NiO，并與溝槽型結構相結合,，成功設計并制備出了氧化鎵增強型異質結場效應晶體管,。該器件達到了0.9 V的閾值電壓，較低的亞閾值擺幅(73 mV/dec),，高器件跨導(14.8 mS/mm)以及接近零的器件回滯特性,，這些特性表明器件具有良好的柵極控制能力。此外,，器件的導通電阻得到了很好的保持,，為151.5 Ω·mm，并且擊穿電壓達到了980 V,。
研究成果以“Normally-offβ-Ga2O3Power Heterojunction Field-Effect-Transistor Realized by p-NiO and Recessed-Gate”為題發(fā)表在ISPSD 2022上,。
基于異質PN氧化鎵結型場效應晶體管(a)結構示意圖及工藝流程圖，(b)不同漏極偏壓的轉移特性,，(c)輸出特性曲線,，與(d)擊穿特性曲線。
中國研究成果之：異質集成材料解決散熱問題
中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所歐欣研究員課題組與西安電子科技大學郝躍院士團隊韓根全教授合作,，利用基于“萬能離子刀”的異質集成技術將氧化鎵(Ga2O3)材料與器件的散熱能力提升4倍以上,，并在實驗上觀測到了異質集成Ga2O3器件的表面溫度明顯低于體襯底Ga2O3器件。相關研究成果以“Efficient thermal dissipation in wafer-scale heterogeneous integration of single-crystalline β-Ga2O3 thin film on SiC”發(fā)表在國家自然科學基金委員會主辦的Fundamental Research期刊,，并被選為“寬禁帶和超寬禁帶半導體”專題的正封面文章,。
與氮化鎵材料體系類似，將氧化鎵單晶薄膜與高導熱襯底材料結合形成異質集成材料是解決其散熱問題的有效途徑之一,。由于晶格失配等物理限制,，傳統(tǒng)的異質外延生長技術難以在碳化硅等高導熱襯底上生長出高質量的氧化鎵單晶薄膜。
2019年,，中國科學院微系統(tǒng)與信息技術研究所歐欣團隊與西安電子科技大學郝躍院士團隊韓根全教授合作,，采用離子束剝離與轉移技術在國際上首次實現(xiàn)晶圓級Ga2O3單晶薄膜與高導熱硅基和碳化硅基襯底的異質集成，制備出了Ga2O3/Si和Ga2O3/SiC異質集成材料,，對比基于同質 Ga2O3襯底的器件,，異質集成Ga2O3器件熱穩(wěn)定性有顯著的提升，成果發(fā)表在微電子領域頂級國際會議IEDM上(10.1109/IEDM19573.2019.8993501),。
在本工作中,，該團隊對Ga2O3/SiC異質集成材料和器件的散熱特性進行了深入研究。瞬態(tài)熱反射測試結果表明Ga2O3/SiC異質集成材料的熱弛豫要明顯快于Ga2O3體材料,，通過高溫后退火可消除注入應力,、缺陷，提升異質界面質量,，可進一步降低材料等效界面熱阻,。利用紅外熱成像技術直觀地觀察到在相同功率下基于Ga2O3/SiC異質集成材料的SBD器件表面溫度明顯低于Ga2O3體材料器件,，Ga2O3/SiC異質集成材料的等效熱阻為43.55 K/W,，僅為Ga2O3體材料(188.24 K/W)的1/4,，這表明通過與高導熱襯底集成能夠有效提升Ga2O3器件的熱耗散。
本研究不僅加深了對異質材料界面熱傳輸機理的理解,，也為 Ga2O3器件的熱管理提供了一種有效的解決方案,，從而為開發(fā)下一代高性能功率器件提供關鍵技術和材料支撐。
更多中國機構在氧化鎵上的研究進展
(1)中電科46所
據(jù)觀察者網(wǎng)在2019年2月的報道,，中國電科46所經(jīng)過多年氧化鎵晶體生長技術探索,，通過改進熱場結構、優(yōu)化生長氣氛和晶體生長工藝,，有效解決了晶體生長過程中原料分解,、多晶形成、晶體開裂等問題,，采用導模法成功在2016年制備出國內第一片高質量的2英寸氧化鎵單晶,，在2018年底制備出國內第一片高質量的4英寸氧化鎵單晶。報道指出,，中國電科46所制備的氧化鎵單晶的寬度接近100mm,，總長度達到250mm,，可加工出4英寸晶圓、3英寸晶圓和2英寸晶圓。這也是目前為止國內唯一能夠達到該尺寸的記錄保持者,。
(2)西電大學/微系統(tǒng)所
據(jù)中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所報道，在2019年12月,，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所研究員歐欣課題組和西安電子科技大學郝躍課題組教授韓根全攜手,，在氧化鎵功率器件領域取得了新進展。歐欣課題組和韓根全課題組利用“萬能離子刀”智能剝離與轉移技術,，首次將晶圓級β相GaO單晶薄膜(400nm)與高導熱的Si和4H-SiC襯底晶圓級集成,，并制備出高性能器件。報道指出,，該工作在超寬禁帶材料與功率器件領域具有里程碑式的重要意義,。首先，異質集成為GaO晶圓散熱問題提供了最優(yōu)解決方案,，勢必推動高性能GaO器件研究的發(fā)展;其次,，該研究將為我國GaO基礎研究和工程化提供優(yōu)質的高導熱襯底材料，推動GaO在高功率器件領域的規(guī)?；瘧?。
(3)復旦大學
在2020年6月，復旦大學方志來團隊在p型氧化鎵深紫外日盲探測器研究中取得重要進展,。報道表示,，方志來團隊采用固-固相變原位摻雜技術,，同時實現(xiàn)了高摻雜濃度、高晶體質量與能帶工程,，從而部分解決了氧化鎵的p型摻雜困難問題,。
(4)北京鎵族科技
資料顯示，北京鎵族科技有限公司成立于2017年年底,，是國內首家,、國際第二家專業(yè)從事第四代(超寬禁帶)半導體氧化鎵材料開發(fā)及應用產(chǎn)業(yè)化的高科技公司，是北京郵電大學的唐為華老師從2011年以來致力于氧化鎵材料及器件形成科研成果的產(chǎn)業(yè)化平臺,。
公司研發(fā)和生產(chǎn)基于新型超寬禁帶半導體材料氧化鎵的高質量單晶與外延襯底,、高靈敏度日盲紫外探測器件、高頻大功率器件,，已與合作單位一起已經(jīng)實現(xiàn)1000V耐壓的肖特基二極管模型制作,，并已經(jīng)實現(xiàn)5000V耐壓的MOSFET模型制作，開發(fā)出氧化鎵基日盲紫外探測器分立器件和陣列成像器件,，為深紫外光電器件提供了良好解決方案,，可支持極弱火焰和極弱電弧實時檢測等，并已推出系統(tǒng)化模塊,。公司已申請40余項專利,，完成了產(chǎn)業(yè)中試的前期技術、人員,、軟硬件等量產(chǎn)化要求的所有準備工作,。公司擁有廠房面積1500平米，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,，初步構建了氧化單晶襯底、氧化鎵異質/同質外延襯底生產(chǎn)和研發(fā)平臺,。未來將不斷完善晶體生長,、晶體加工、外延薄膜性能測試,、微納加工,、聯(lián)合研發(fā)等六大平臺搭建。
(5)杭州富加鎵業(yè)
據(jù)官網(wǎng)信息,，公司成立于2019年12月,，注冊資金500萬，是由中國科學院上海光學精密機械研究所與杭州市富陽區(qū)政府共建的“硬科技”產(chǎn)業(yè)化平臺——杭州光機所孵化的科技型企業(yè),。
富加鎵業(yè)專注于寬禁帶半導體材料研發(fā),，公司核心創(chuàng)始人具有中科院博士、劍橋大學博士等材料領域的深厚背景,，團隊成員主要來自中國科學院,、美英海歸等業(yè)內資深人才,，研發(fā)人員中碩士以上比例達到80%;公司廠房面積八千余平米，擁有多臺大尺寸導模法晶體生長爐,、多氣氛晶體退火爐,、高精密拋光機等儀器設備，為公司的發(fā)展提供了基礎支撐和持續(xù)創(chuàng)新動力硬件保證,。
富加鎵業(yè)最初技術來源于中科院上海光機所技術研發(fā)團隊,，該團隊是我國最早從事氧化鎵晶體生長的團隊，從04年開始即開展研究,。富加鎵業(yè)專業(yè)從事氧化鎵單晶材料設計、模擬仿真,、生長及性能表征等工作,，形成了較鮮明的特色和優(yōu)勢。我們注重知識產(chǎn)權保護和氧化鎵相關基礎探索研究工作,，在全球范圍內對氧化鎵晶體材料生長及上下游應用領域的專利進行布局,，申請進入歐盟、美國,、日本,、韓國、新加坡等國家,。團隊的氧化鎵晶體材料及器件基礎研究成果,，多篇科研論文已發(fā)表在國際頂級學術期刊上，與全球科研工作者共享最新研究成果,，共同推動全球第四代半導體相關行業(yè)的發(fā)展,。
(6)其他
山東大學采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)法研究了β相GaO薄膜的生長及其光學性質。北京郵電大學,、電子科技大學,、中山大學也分別獨立開展了β相GaO薄膜及日盲紫外探測器的研究，已取得了一些重要的研究成果,，但基本未見在晶體材料方面的相關報道,。