然而，SiC 和 GaN 并不是終點，近年來日本對氧化鎵(Ga2O3，后簡稱GaO，與GaN對照)的研究屢次取得進(jìn)展，使這種第四代半導(dǎo)體的代表材料走入了人們的視野，憑借其比 SiC 和 GaN 更寬的禁帶、耐高壓、大功率等更優(yōu)的特性，以及極低的制造成本，在功率應(yīng)用方面具有獨特優(yōu)勢。因此，近幾年關(guān)于氧化鎵的研究又熱了起來。
 

實際上，氧化鎵并不是很新的技術(shù)，一直以來都有公司和研究機(jī)構(gòu)對其在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行鉆研。但受限于材料供應(yīng)被日本兩家公司壟斷，研究受到比較大的阻礙，相關(guān)研發(fā)工作的風(fēng)頭都被后二者搶去。而隨著應(yīng)用需求的發(fā)展愈加明朗，未來對高功率器件的性能要求越來越高，人們更深切地看到了氧化鎵的優(yōu)勢和前景，相應(yīng)的研發(fā)工作又多了起來，氧化鎵已成為美國、日本、德國等國家的研究熱點和競爭重點。另一方面，我國在這方面的研究仍比較欠缺，在日本已經(jīng)可以推出批量產(chǎn)品、我國國內(nèi)市場每年翻倍的當(dāng)下，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化程度仍處于非常初級的階段。
 

一、半導(dǎo)體材料的代際之分
 

首先我們先了解下各個代際半導(dǎo)體的情況：
 

1.第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅（Si）、鍺（Ge）的元素半導(dǎo)體材料。第一代半導(dǎo)體材料，尤其是硅，在半導(dǎo)體器件的發(fā)展和應(yīng)用中牢牢占據(jù)著統(tǒng)治地位，是大規(guī)模集成電路、模擬IC、傳感器等器件的材料基礎(chǔ)，硅的加工技術(shù)是摩爾定律得以實現(xiàn)的基石。硅基芯片在電腦、手機(jī)、電視、航空航天、各類軍事工程和迅速發(fā)展的新能源、硅光伏產(chǎn)業(yè)中都得到了極為廣泛的應(yīng)用，致使產(chǎn)業(yè)外的很多人一提到半導(dǎo)體以為指的就是硅。
 

2.第二代半導(dǎo)體材料主要是指砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等的化合物半導(dǎo)體材料，此外還包含三元化合物半導(dǎo)體，如GaAsAl、GaAsP，還有一些固溶體半導(dǎo)體如Ge-Si、GaAs-GaP，玻璃半導(dǎo)體（又稱非晶態(tài)半導(dǎo)體）如非晶硅、玻璃態(tài)氧化物半導(dǎo)體，有機(jī)半導(dǎo)體如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。
 

3.第三代半導(dǎo)體材料是指以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料。在應(yīng)用方面，根據(jù)第三代半導(dǎo)體的發(fā)展情況，其主要應(yīng)用為半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他四個領(lǐng)域，每個領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)成熟度各不相同。在前沿研究領(lǐng)域，寬禁帶半導(dǎo)體還處于實驗室研發(fā)階段。
 

4.第四代半導(dǎo)體材料主要是以金剛石（C）、氧化鎵（GaO）、氮化鋁（AlN）為代表的超寬禁帶（UWBG）半導(dǎo)體材料，禁帶寬度超過4eV，以及以銻化物（GaSb、InSb）為代表的超窄禁帶（UNBG）半導(dǎo)體材料。在應(yīng)用方面，超寬禁帶材料會與第三代材料有交疊，主要在功率器件領(lǐng)域有更突出的特性優(yōu)勢；而超窄禁帶材料，由于易激發(fā)、遷移率高，主要用于探測器、激光器等器件的應(yīng)用。
 

需要強(qiáng)調(diào)的是，實際上四個代際的半導(dǎo)體材料并不是后面的要取代前面，而是對硅材料形成了重要補(bǔ)充。
 

二、氧化鎵材料的特性
 

氧化鎵是金屬鎵的氧化物，同時也是一種半導(dǎo)體化合物。其結(jié)晶形態(tài)截至目前已確認(rèn)有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β相最穩(wěn)定。

圖：β相氧化鎵晶體結(jié)構(gòu)（網(wǎng)絡(luò)）

業(yè)界與GaO的結(jié)晶生長及物性相關(guān)的研究報告大部分都使用β相，國內(nèi)也普遍使用β相展開研發(fā)。β相具備名為“β-gallia”的單結(jié)晶構(gòu)造。β相的帶隙很大，達(dá)到4.8～4.9eV，這一數(shù)值為Si的4倍多，而且也超過了SiC的3.3eV 及GaN的3.4eV（表1）。一般情況下，帶隙較大，擊穿電場強(qiáng)度也會很大。β相的擊穿電場強(qiáng)度估計為8MV/cm左右，達(dá)到Si的20多倍，相當(dāng)于SiC及GaN的2倍以上，目前已有研究機(jī)構(gòu)實際做出來6.8MV/cm的器件。

圖：半導(dǎo)體材料特性（郝躍院士）

β相在展現(xiàn)出色的物性參數(shù)的同時，也有一些不如SiC及GaN的方面，這就是遷移率和導(dǎo)熱率低，以及難以制造p型半導(dǎo)體。不過，目前研究表明這些方面對功率元件的特性不會有太大的影響。之所以說遷移率低不會有太大問題，是因為功率元件的性能很大程度上取決于擊穿電場強(qiáng)度。就β相而言，作為低損失性指標(biāo)的“巴利加優(yōu)值（Baliga’s figure of merit）”與擊穿電場強(qiáng)度的3次方成正比、與遷移率的1次方成正比。巴加利優(yōu)值較大，是SiC的約10倍、GaN的約4倍。
 

Baliga性能指數(shù)是由原在美國General Electric從事多年功率半導(dǎo)體研發(fā)工作、現(xiàn)在美國北卡羅萊納州州立大學(xué)擔(dān)任名譽(yù)教授的Jayant Baliga先生提出的，用于Power MOS FET等單極元件(Unipolar Device)的性能評價。有將低頻的理論損耗定量化的“BFOM (Baliga`s Figure of Merits)”和將高頻的理論損耗定量化的“BHFFOM(Baliga`s High Frequency Figure of Merits)”。在功率半導(dǎo)體的研發(fā)領(lǐng)域，一般多實用低頻的BFOM。

圖：功率半導(dǎo)體材料對比（半導(dǎo)體行業(yè)觀察譯自PC.watch）

由于β相的巴利加優(yōu)值較高，因此，在制造相同耐壓的單極功率器件時，元件的導(dǎo)通電阻比采用 SiC 或 GaN 的低很多，有實驗數(shù)據(jù)表明，降低導(dǎo)通電阻有利于減少電源電路在導(dǎo)通時的電力損耗。使用β相的功率器件，不僅能減少導(dǎo)通時的電力損耗，還可降低開關(guān)時的損耗，因為在耐壓 1kV 以上的高耐壓應(yīng)用方面，可以使用單極元件。

圖：在電流和電壓需求方面Si，SiC，GaN和GaO功率電子器件的應(yīng)用(Flosfia介紹)

比如，設(shè)有利用保護(hù)膜來減輕電場向柵極集中的單極晶體管(MOSFET)，其耐壓可達(dá)到 3k～4kV。而使用硅的話，在耐壓為 1kV 時就必須使用雙極元件，即便使用耐壓較高的 SiC，在耐壓為 4kV 時也必須使用雙極元件。雙極元件以電子和空穴為載流子，與只以電子為載流子的單極元件相比，在導(dǎo)通和截止的開關(guān)操作時，溝道內(nèi)的載流子的產(chǎn)生和消失會耗費時間，損失容易變大。
 

在熱導(dǎo)率方面，如果該參數(shù)低，功率器件很難在高溫下工作。不過，實際應(yīng)用中的工作溫度一般不會超過 250℃，因此，實際應(yīng)用當(dāng)中不會在這方面出現(xiàn)大的問題。由于封裝有功率器件的模塊和電源電路使用的封裝材料、布線、焊錫、密封樹脂等的耐熱溫度最高也不過 250℃，因此功率器件的工作溫度也要控制在這一水平之下。

再從另一個角度看，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)定性也推動了GaO器件的發(fā)展。相關(guān)論文表示，用Si或Sn對GaO進(jìn)行N型摻雜時，可以實現(xiàn)良好的可控性。
 

盡管某些UWBG半導(dǎo)體（例如氮化鋁AlN，立方氮化硼c-BN和金剛石）在BFOM圖表中擊敗了GaO，但它們的材料制備、器件加工等環(huán)節(jié)受到了嚴(yán)格的限制。換而言之，AlN、c-BN和金剛石仍然缺乏大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)積累。
 

圖：關(guān)鍵材料（Si,SiC,GaN,GaO）特性對比（IEEE）

相關(guān)統(tǒng)計數(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，即在SiC比Si已經(jīng)降低86%損耗的基礎(chǔ)上，再降低86%的損耗，這讓產(chǎn)業(yè)界人士對其未來有很高的期待。

圖：GaO成本構(gòu)成（Compound Semiconductor）

而成本更是讓其成為一個吸引產(chǎn)業(yè)關(guān)注的另一個重要因素。
 

SiC晶錠的制作普遍采用PVT法，將固態(tài)SiC加熱至2500℃升華后再在溫度稍低的高質(zhì)量SiC籽晶上重新結(jié)晶，核心難點在于：

1）加熱溫度高達(dá)2500℃，且SiC生長速度很慢（<1mm/h）；

2）生長出的晶錠尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于Si；

3）對籽晶要求很高，需要具備高質(zhì)量、與所需晶體直徑一致等特點；

4）SiC晶錠硬度較高，加工及拋光難度大；

基于SiC襯底，普遍采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD）獲得高質(zhì)量外延層，隨后在外延層上進(jìn)行功率器件的制造。由于SiC襯底晶圓相比Si具有更高的缺陷密度，會進(jìn)一步干擾外延層生長，外延層本身也會產(chǎn)生結(jié)晶缺陷，影響后續(xù)器件性能。

GaO和藍(lán)寶石一樣，可以從溶液狀態(tài)轉(zhuǎn)化成塊狀（Bulk）單結(jié)晶狀態(tài)。實際上，通過運用與藍(lán)寶石晶圓生產(chǎn)技術(shù)相同的導(dǎo)模法EFG（Edge-defined Film-fed Growth），日本NCT已試做出最大直徑為6英寸（150mm）的晶圓，直徑為2英寸（50mm）的晶圓已經(jīng)開始銷售作研究開發(fā)方向的用途。這種工藝的特點是良品率高、成本低廉、生長速度快、生長晶體尺寸大。
 

另一家Flosfia使用的“霧化法”已制作出4英寸（100mm）的α相晶圓，成本已接近于硅。而碳化硅（ SiC ）與氮化鎵 （GaN）材料目前只能使用“氣相法”進(jìn)行制備，未來成本也將繼續(xù)受到襯底高成本的阻礙而難以大幅度下降。對于 GaO來說，高質(zhì)量與大尺寸的天然襯底，相對于目前采用的寬禁帶 SiC 與 GaN 技術(shù)，將具備獨特且顯著的成本優(yōu)勢。