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氧化镓:10年后将直接与碳化硅竞争

氧化镓:10年后将直接与碳化硅竞争

以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料,凭借耐高温、抗高压、开关速度快、效率高、节能、寿命长等特点,近年来被国内外相关企业持续关注和布局,相信这股热潮将会一路延续到2023年。

然而,在宽禁带半导体材料发展势如破竹的同时,学术界和科研界不约而同地展望下一代半导体材料——氧化镓(Ga2O3),并将其视为“替代碳化硅和氮化镓”的新一代半导体材料的代表。目前,各国的半导体企业都争先恐后布局氧化镓,氧化镓正在逐渐成为半导体材料界一颗冉冉升起的新星。vhzesmc

性能优越的氧化镓

氧化镓是一种超宽禁带材料,超越了目前已经商用器件的禁带宽度,达到了4.2电子伏特以上,也有人称之为第四代半导体材料。vhzesmc

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表1横向对比了各种半导体材料的性能数据,可以看出,氧化镓拥有超宽带隙(4.2-4.9eV)、超高临界击穿场强(8MV/cm)、超强透明导电性等优异物理性能,它的各项性能指标较硅、碳化硅以及氮化镓有着显著的优势,和金刚石相比性能稍差,但是目前金刚石的制备特别困难,距离器件应用还需要不少投入。vhzesmc

最后两项数据中,BFOM是衡量器件的高功率性能,JFOM是衡量射频性能,因此氧化镓从材料本质来说,是适合于高功率以及高频应用的,例如可以有效降低新能源汽车、轨道交通、可再生能源发电等领域在能源方面的消耗。vhzesmc

目前已发现的氧化镓拥有5种同质异形体,材料性质各有千秋。目前研究比较多的是β相(热稳定性最佳,禁带宽度~4.8eV),而α相(高禁带宽度~5.3eV)和ε相(极化率十倍于氮化镓,适合于高电子迁移率晶体管)方面的研究也逐渐增加。所以从材料属性来说,氧化镓是一种很有希望的超宽禁带材料。vhzesmc

氧化镓的优势不仅是材料性能高,更重要的是成本较低。2019年有研究结论提出,氧化镓的制造成本较硅略有提高,和碳化硅相比仅有它的三分之一。当然这一点目前还做不到,因为目前氧化镓晶圆的研究和生产仍然处于早期阶段。vhzesmc

多国争抢15亿美元市场

氧化镓在近10年左右开始受到产业关注,短短4至5年时间就已经出现了高质量的衬底和外延片,发展速度十分惊人。有分析师预测,到2030年,氧化镓功率半导体市场规模将达15亿美元。vhzesmc

中国科学院院士郝跃表示,氧化镓材料是最有可能在未来大放异彩的材料之一,在未来的10年左右,氧化镓器件有可能成为有竞争力的电力电子器件,会直接与碳化硅器件竞争。vhzesmc

氧化镓目前主要是中日美三国在进行研究。晶圆主要是中日在进行生产。2014年日本用倒模法生长了4英寸的晶圆,2016年推出了6英寸,随后又实现了4英寸氧化镓材料的突破及产业化。美国、德国、法国等也在加紧氧化镓产品的研究和竞争,如美国的空军研究实验室、海军实验室和宇航局;德国的莱布尼茨晶体生长研究所、以及法国圣戈班等都已加入氧化镓材料及器件研发的浪潮中。vhzesmc

中国则是中电研究所、山大、北邮等科研机构研究较多。企业方面,据不完全统计,2022年以来多家上市公司纷纷披露氧化镓相关业务研发情况,涉及公司包括中航机电、新湖中宝、中钢国际、蓝晓科技、南大广电、阿石创等。而初创企业方面,以杭州富加镓业、北京铭镓半导体、北京镓族科技、深圳进化半导体等已经开始崭露头角,例如稼族科技在2017年已经能生产2英寸晶圆。vhzesmc

氧化镓功率器件的应用进展

基于氧化镓材料,目前它在光电器件和功率器件产生了不少应用。在功率器件里,目前主要是肖特基二极管和场效应晶体管,其它器件结构还未开展。vhzesmc

(1)氧化镓基肖特基二极管vhzesmc

对于肖特基二极管,其精准的势垒高度调控仍然是个难题,同时其体电场仍有较大的优化空间,另外由于功率集成的重要性日益突出,横向肖特基二极管也应受到关注。vhzesmc

对于p型掺杂,氧化物半导体通常很难同时实现实用的P型和N型,例如氧化镍通常是P型的,而氧化镓里P型则很难实现。因此可以考虑发展异质PN结来进一步改善功率器件的性能。vhzesmc

肖特基势垒高度对于肖特基二极管而言是十分重要的,高肖特基势垒带来低泄露电流,但开态压降随之增加,反之亦然,需根据具体应用场景来选择合适的势垒高度。vhzesmc

(2)氧化镓基场效应晶体管vhzesmc

对于场效应晶体管,其发展进度落后于肖特基二极管。更低的外延层掺杂浓度和更高的迁移率未来将会有所突破。另外先进的耐压技术例如高K、电荷平衡、异质结构等会带来更为显著的性能提升。此外,还应开发兼顾电流驱动能力和增强型的横向功率器件。vhzesmc

此外,中国科大国家示范性微电子学院对氧化镓光电探测器作出前沿研究。vhzesmc

光电探测器在目标跟踪、环境监测、光通信、深空探索等诸多领域发挥着越来越重要的作用。响应度和响应速度是光电探测器的两个关键的性能参数,然而这两个指标之间存在着制约关系,此消彼长。由于缺乏成熟的材料缺陷控制技术,该问题在以氧化镓材料为代表的超宽禁带半导体探测器中尤为突出。可以通过引入额外的辅助光源实现对向光栅(OPG)调控方案,来缓解上述制约关系。vhzesmc

不可否认,氧化镓具有宽禁带半导体独特的性能优势。目前,单晶和外延已经出现突破的曙光,高性能的原型器件已经实现,散热不成问题。作为智慧高效能电力电子器件,氧化镓潜力无限。vhzesmc

责编:Momoz
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Momo Zhong
国际电子商情(Electronics Supply and Manufacturing-China)助理产业分析师,专注于PCB、电子工程、移动终端、智能家居等上下游垂直领域。
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