近日，有報(bào)道稱，韓國(guó)30家半導(dǎo)體企業(yè)、大學(xué)以及研究所組建了碳化硅產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，目的是為了應(yīng)對(duì)急速增長(zhǎng)的碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鎵（Ga2O3）等寬禁帶半導(dǎo)體所引領(lǐng)的新型功率半導(dǎo)體市場(chǎng)。與此同時(shí)，日本企業(yè)Novel Crystal Technology（NCT）與日本酸素控股旗下的大陽(yáng)日酸、東京農(nóng)工大學(xué)合作實(shí)現(xiàn)了氧化鎵功率半導(dǎo)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(shù)瓶頸，此技術(shù)有望把成本降至碳化硅功率半導(dǎo)體的三分之一。

 

在后摩爾時(shí)代，具有先天性能優(yōu)勢(shì)的寬禁帶半導(dǎo)體材料脫穎而出，以碳化硅和氮化鎵為代表的寬禁帶半導(dǎo)體，憑借其大幅降低電力傳輸中能源消耗的顯著優(yōu)勢(shì)，在功率器件和射頻器件領(lǐng)域大放異彩，成為全球半導(dǎo)體行業(yè)的研究焦點(diǎn)。而氧化鎵的出現(xiàn)帶來(lái)了新風(fēng)向，作為超寬禁帶半導(dǎo)體，研究證明，以氧化鎵材料所制作功率器件，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(yīng)用范圍更廣。所以業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，氧化鎵有望替代碳化硅和氮化鎵成為新一代半導(dǎo)體材料的代表。目前，各國(guó)的半導(dǎo)體企業(yè)都爭(zhēng)先恐后布局，氧化鎵正在逐漸成為半導(dǎo)體材料界一顆冉冉升起的新星。

 

 

“氧化鎵是一種新型超寬禁帶半導(dǎo)體材料，與碳化硅、氮化鎵相比，氧化鎵的禁帶寬度達(dá)到了4.9eV，高于碳化硅的3.25eV和氮化鎵的3.4eV，確保了其抗輻照和抗高溫能力，可以在高低溫、強(qiáng)輻射等極端環(huán)境下保持穩(wěn)定的性質(zhì)；而其高擊穿場(chǎng)強(qiáng)的特性則確保了制備的氧化鎵器件可以在超高電壓下使用，有利于提高載流子收集效率。”北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院教授李成明介紹道。但氧化鎵作為新生代寬禁帶半導(dǎo)體材料，目前還處于研發(fā)階段，國(guó)內(nèi)外企業(yè)都在攻堅(jiān)克難，爭(zhēng)取拔得頭籌。

 

日本企業(yè)Novell Crystal Technology作為氧化鎵晶體研發(fā)領(lǐng)域的先驅(qū)，是世界上最早能夠量產(chǎn)氧化鎵基礎(chǔ)材料（單晶和外延）及器件的企業(yè)，正在聯(lián)合村田制作所、三菱電機(jī)、日本電裝和富士電機(jī)等科技巨頭，以及東京農(nóng)工大學(xué)、京都大學(xué)和日本國(guó)家信息與通信研究院等科研機(jī)構(gòu)，推動(dòng)氧化鎵單晶及襯底材料以及下游功率器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

 

近日，Novell Crystal Technology與佐賀大學(xué)合作攻克了其第二代氧化鎵4英寸外延片中由外延式沉積成膜過(guò)程中產(chǎn)生的一種特定粉末所造成的缺陷過(guò)多問(wèn)題。通過(guò)改善成膜條件之后，成功制造出了第三代氧化鎵4英寸外延片，缺陷降低到0.7個(gè)／c㎡，相較上一代產(chǎn)品，缺陷降至7%左右。

 

此外，Novell Crystal Technology還完成了300A～500A級(jí)的大型氧化鎵肖特基勢(shì)壘二極管的原型樣品制作。這將使氧化鎵功率器件能夠真正被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車等需要100A級(jí)功率器件的市場(chǎng)中。預(yù)計(jì)到2030年左右，以原油計(jì)算，節(jié)能效果將超過(guò)10萬(wàn)千升/年。

 

我國(guó)也在進(jìn)行氧化鎵的研發(fā)。中國(guó)科協(xié)發(fā)布的2021年度“科創(chuàng)中國(guó)”系列榜單中，中山大學(xué)王鋼教授團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的科研成果“大尺寸氧化鎵單晶薄膜異質(zhì)外延生長(zhǎng)技術(shù)及核心裝備”榮登“先導(dǎo)技術(shù)榜”。王鋼教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的設(shè)備通過(guò)獨(dú)特的反應(yīng)腔設(shè)計(jì)，解決了氧化鎵薄膜材料異質(zhì)外延生長(zhǎng)過(guò)程中預(yù)反應(yīng)強(qiáng)等問(wèn)題，提高了批次的均勻性和良率。同時(shí)，采用多層勻氣送氣結(jié)構(gòu)和特種噴射技術(shù)以及加熱控制系統(tǒng)，解決了大容量大尺寸反應(yīng)腔加工制造過(guò)程中的焊接組裝問(wèn)題，有望成為我國(guó)新興超寬禁帶功率半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)化突破口，推動(dòng)我國(guó)氧化鎵基功率電子器件的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

 

而在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)具有全面領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)的美國(guó)，正在從前沿軍事技術(shù)布局的角度大力發(fā)展氧化鎵材料及功率器件。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)宇航局，積極尋求與美國(guó)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。德國(guó)萊布尼茨晶體生長(zhǎng)研究所、法國(guó)圣戈班等全球企業(yè)/科研機(jī)構(gòu)也加入了氧化鎵材料及器件研發(fā)的浪潮中，這種半導(dǎo)體材料可謂是吸引了世界的廣泛關(guān)注。

 

我國(guó)研究氧化鎵的機(jī)構(gòu)和高校較多，也取得了很多研究成果，有望在應(yīng)用場(chǎng)景和需求量逐漸明確之后，進(jìn)行科技成果轉(zhuǎn)移。專家表示，氧化鎵基本尚未產(chǎn)業(yè)化，中國(guó)企業(yè)機(jī)會(huì)很多，要找準(zhǔn)需求點(diǎn)，利用好現(xiàn)有的科研成果，以取得發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。

 

 

 

目前針對(duì)氧化鎵展開研究的各大企業(yè)、高校和研究所都對(duì)氧化鎵的性能寄予厚望，但距離真正實(shí)際應(yīng)用還需要解決很多關(guān)鍵的瓶頸問(wèn)題。

 

目前研發(fā)上遇到的障礙主要有兩方面，一是大尺寸高質(zhì)量單晶的制作，目前僅有日本企業(yè)研發(fā)出6英寸單晶，但是還未實(shí)現(xiàn)批量供貨。二是氧化鎵材料大功率、高效率電子器件還處于實(shí)驗(yàn)室階段的研發(fā)，在大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用方面還有欠缺。

 

“氧化鎵的禁帶寬度比氮化鎵、碳化硅等更寬，功率可以做得更高，也更加省電。氧化鎵的制備條件比較苛刻，目前外延材料以2-3寸的小尺寸為主，量產(chǎn)和應(yīng)用還有一段路要走。”西安電子科技大學(xué)郭輝副教授向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示。

 

中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員閆建昌表示：“散熱能力不足是氧化鎵的弊端，如何繞開這個(gè)弊端的話，去充分發(fā)揮它在功率器件的優(yōu)勢(shì)，是值得關(guān)注的發(fā)展方向。氧化鎵在器件和產(chǎn)業(yè)發(fā)展上還有很大的空間，發(fā)展的基礎(chǔ)取決于材料本身和材料制備水平，要實(shí)現(xiàn)更低的缺陷密度，把材料的優(yōu)勢(shì)和潛力充分發(fā)掘出來(lái)，這是未來(lái)超寬禁帶技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。”

 

大尺寸低缺陷氧化鎵單晶的制備方法以及高表面質(zhì)量氧化鎵晶片的超精密加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氧化鎵半導(dǎo)體器件工業(yè)應(yīng)用的主要瓶頸。李成明指出，氧化鎵材料的短板主要在于導(dǎo)熱性能較差。因此，許多單位開展將轉(zhuǎn)移晶圓級(jí)氧化鎵薄膜于高導(dǎo)熱襯底的研究。如轉(zhuǎn)移到高導(dǎo)熱率碳化硅和碳基襯底上異質(zhì)集成制備氧化鎵MOSFET器件，近日也出現(xiàn)了將氧化鎵與金剛石進(jìn)行鍵合的消息。

 

專業(yè)分析師池憲念建議，未來(lái)氧化鎵材料需要在高質(zhì)量、低缺陷、大尺寸單晶方面的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行突破，并在實(shí)驗(yàn)室電子器件的商業(yè)化、大規(guī)模應(yīng)用上進(jìn)行發(fā)力。

 

 

雖然仍處于研發(fā)階段，但氧化鎵應(yīng)用前景已經(jīng)被多領(lǐng)域廣泛看好。

 

李成明指出，以氧化鎵為基礎(chǔ)材料的功率器件具有更高的擊穿電壓與更低的導(dǎo)通電阻，從而擁有更低的導(dǎo)通損耗和更高的功率轉(zhuǎn)換效率，在功率電子器件方面具有極大的應(yīng)用潛力。而在日盲紫外探測(cè)方面，氧化鎵具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以利用這點(diǎn)制作光電子器件。如制作對(duì)紫外區(qū)域、波長(zhǎng)短、禁帶寬等有需求的日盲光電器件。

 

芯謀研究高級(jí)分析師張彬磊向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示，氧化鎵作為一種新興的超寬帶隙導(dǎo)體，擁有4.9~5.3eV的超大帶隙（SiC和GaN的帶隙為3.3eV，硅則僅有1.1eV），讓這種新材料擁有更高的功率特性以及深紫外光電特性，同時(shí)這種材料又具有很好的熱穩(wěn)定性，因此有望基于氧化鎵材料開發(fā)出小型化、高效的、耐熱性優(yōu)良的超大功率晶體管。

 

張彬磊預(yù)測(cè)，氧化鎵未來(lái)的主要應(yīng)用場(chǎng)景：一是在輻射探測(cè)領(lǐng)域的傳感器芯片，另一個(gè)將會(huì)是在大功率和超大功率芯片方面。

 

池憲念則認(rèn)為，氧化鎵在超寬禁帶系統(tǒng)可用的功率和電壓范圍方面會(huì)發(fā)揮重要作用。所以，電力調(diào)節(jié)和配電系統(tǒng)中的高壓整流器、電動(dòng)汽車和光伏太陽(yáng)能系統(tǒng)等將是氧化鎵的有利應(yīng)用場(chǎng)景。

 

目前，市場(chǎng)對(duì)于氧化鎵的渴望愈發(fā)強(qiáng)烈，NCT預(yù)測(cè)氧化鎵晶圓的市場(chǎng)到2030年度將擴(kuò)大到約590億日元（約合4.7億美元）規(guī)模，而從市場(chǎng)調(diào)查公司富士經(jīng)濟(jì)對(duì)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1542億日元（約合12.2億美元），這個(gè)市場(chǎng)規(guī)模要比氮化鎵功率元件的規(guī)模（約合8.6億美元）還要大。

 

“實(shí)際上半導(dǎo)體新材料未來(lái)市場(chǎng)規(guī)模的預(yù)測(cè)必然取決于它的制造成本快速降低，氧化鎵的晶圓制備思路已經(jīng)回歸到單晶硅的制備體系軌道，再加上為了適應(yīng)新材料半導(dǎo)體架構(gòu)的適配設(shè)計(jì)，氧化鎵晶圓的市場(chǎng)將超出我們的想象。”李成明表示。

 

池憲念則更加大膽地預(yù)測(cè)，氧化鎵比起以往的電子元件更有效率，在晶圓價(jià)格方面也比碳化硅等要更為低廉。2030年氧化鎵功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)15億美元。