三、氧化鎵的研發(fā)及產業(yè)化現(xiàn)狀
 

因為擁有如此多的優(yōu)勢，氧化鎵被看作一個比氮化鎵擁有更廣闊前景的技術。
 

據(jù)市場調查公司--富士經濟于2019年6月5日公布的Wide Gap 功率半導體元件的全球市場預測來看，2030年氧化鎵功率元件的市場規(guī)模將會達到1,542億日元（約人民幣92.76億元），這個市場規(guī)模要比氮化鎵功率元件的規(guī)模（1,085億日元，約人民幣65.1億元）還要大！
 

在SiC或GaN方面，從產業(yè)鏈分工的角度來看，目前Cree、Rohm、ST都已形成了SiC襯底→外延→器件→模塊垂直供應的體系。而Infineon、Bosch、OnSemi等廠商則購買襯底，隨后自行進行外延生長并制作器件及模塊。
 

在氧化鎵方面，日本在襯底-外延-器件等方面的研發(fā)全球領先。不過研究氧化鎵功率元件并進行開發(fā)的并不是上述范疇的大中型功率半導體企業(yè)，而是初創(chuàng)企業(yè)。
 

1、日本
 

據(jù)日本媒體2020年9月報道，日本經濟產業(yè)?。∕ETI）正準備為致力于開發(fā)新一代低能耗半導體材料“氧化鎵”的私營企業(yè)和大學提供財政支持。METI將為2021年留出大約2030萬美元的資金，預計未來5年的投資額將超過8560萬美元。METI認為，日本公司將能夠在本世紀20年代末開始為數(shù)據(jù)中心、家用電器和汽車供應基于氧化鎵的半導體。一旦氧化鎵取代目前廣泛使用的硅材料，每年將減少1440萬噸二氧化碳的排放。
 

資料顯示， 日本功率元件方向的氧化鎵研發(fā)始于以下三位：日本國立信息通信技術研究所（NICT：National Institute of Information and Communications Technology）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，以氧化鎵功率元件作為新的研發(fā)主題并進行構想。

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?？梢哉f，由這一委托開啟了GaO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業(yè)化企業(yè)“Novel Crystal Technology”，簡稱“NCT”?，F(xiàn)在，兩家公司都是日本氧化鎵研發(fā)的中堅企業(yè)，必須強調的是，這也是世界上僅有的兩家能夠量產GaO材料及器件的企業(yè)，整個業(yè)界已經呈現(xiàn)出“All Japan”的景象。
 

（1）Flosfia
 

2011年由京都大學投資成立，在2017年獲得B輪融資750萬歐元（500萬英鎊），2018年三菱重工和電裝等大企業(yè)已經聯(lián)名參與了其C輪融資，累計融資接近5億人民幣。

在對成本要求嚴格的電動汽車、“廉價化”的家電等數(shù)碼機器方面，碳化硅和氮化鎵即使性能卓越，制造商也難以接受其價格，成本問題阻礙著產業(yè)界對新半導體的材料的導入。 FLOSFIA公司的“噴霧干燥法”（MistDry）先將氧化鎵溶解于某種幾十種配方混合而成的溶液里，然后將溶液以霧狀噴在藍寶石襯底上，在藍寶石基板上的溶液干燥之前，就形成了氧化鎵結晶。這樣通過從液態(tài)直接獲得GaO襯底，不需要高溫、超潔凈的環(huán)境，實現(xiàn)了超低成本制造GaO。

圖：MistCVD原理圖（ Electronics Weekly）

這種溶液常溫下是液體，蒸發(fā)溫度不需要達到1,500度，幾百度就足夠，而且制作結晶的環(huán)境是在常溫空氣中，沒有任何高成本的環(huán)節(jié)。如果考慮做小尺寸，有望可以制造出和硅同樣價格、比硅性能更好的半導體。

圖：直徑為4英寸的藍寶石襯底上形成的Ga 2 O 3薄膜(FLosfia官網)

從官網可以看到，公司在2015年所首發(fā)的肖特基勢壘二極管（SBD）已經送樣，而其521V耐壓器件的導通電阻僅為0.1mΩ/cm²，855V耐壓的SBD導通電阻僅為0.4mΩ/cm²，損耗僅為SiC的1/7，由此足以見證新材料器件的優(yōu)勢。
 

圖：Flosfia制作的超低導通電阻SBD(FLosfia官網)

因為材料屬性的原因，有專家認為用氧化鎵無法制造P型半導體。但京都大學的Shizuo Fujita與Flosfia合作在2016年成功開發(fā)出了具有藍寶石結構的GaO常關型晶體管（MOSFET）。

圖：常關GaO MOSFET的IV曲線(FLosfia官網)

常關型MOSFET 的第一個α相GaO由N +源/漏極層、p型阱層、柵極絕緣體和電極組成。從IV曲線外推的柵極閾值電壓為7.9V。該器件由新型p型剛玉半導體制成，其起到反型層的作用。團隊在2016年發(fā)現(xiàn)p型氧化銥Ir 2 O3，終于制作出了常關GaO MOS。

圖：常關型GaO MOSFET器件橫截面示意圖(FLosfia官網)

圖：常關型GaO MOSFET的光學顯微照片(FLosfia官網)

FLOSFIA總部位于日本京都，專門從事霧化學氣相沉積（CVD）成膜。利用氧化鎵的物理特性，F(xiàn)LOSFIA致力于開發(fā)低損耗功率器件。該公司成功開發(fā)了一種SBD，其具有目前可用的任何類型的最低特定導通電阻，實現(xiàn)與降低功率相關的技術，比以前減少了90％。
 

2018年，電裝與FLOSFIA宣布合作研發(fā)新一代功率半導體設備,旨在降低電動車用逆變器的能耗、成本、尺寸及重量。
 

同樣也是在2018年，電裝與Flosfia決定共同開發(fā)面向車載應用的下一代Power半導體材料氧化鎵（α相GaO）。據(jù)電裝表示，通過這兩家公司對面向車載的氧化鎵（α相GaO）的聯(lián)合開發(fā)，電動汽車的主要單元PCU的技術革新指日可待。此技術將對電動汽車的更輕量化發(fā)展及節(jié)約能源降低耗電起到積極作用，從而實現(xiàn)人、車、環(huán)境和諧共存。

圖：Flosfia GaO評估板（集微網）

據(jù)EE Times Japan報道，F(xiàn)LOSFIA在2019年12月11日-13日召開的“SEMICON Japan 2019”上展示了GaO功率器件和評估板，并計劃于2020年進行全球范圍內首次GaO肖特基勢壘二極管的量產。FLOSFIA方面稱目前常關型GaO MOSFET的溝道遷移率已遠遠超過了商用SiC，讓這項技術和產品有望應用于需要安全性的各種電源中，并有望應用在電動汽車和消費級快充中，和SiC擁有同等水平或以上性能的GaO MOSFET價格也會更便宜。Flosfia計劃2021年實現(xiàn)GaO器件量產，業(yè)界正拭目以待。