在過去的幾年里，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體發(fā)展迅猛，憑借其大幅降低電力輸送中能源消耗的顯著優(yōu)勢，在功率器件和射頻器件中大放異彩，目前均已實現(xiàn)商業(yè)化。然而，SiC和GaN并不是終點，氧化鎵的出現(xiàn)帶來了新風向，作為超寬禁帶半導體，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(yīng)用范圍更廣。
2022年8月，美國商務(wù)部產(chǎn)業(yè)安全局（BIS）對第四代半導體材料氧化鎵和金剛石實施出口管制，認為氧化鎵的耐高壓特性在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用對美國國家安全至關(guān)重要。此后，氧化鎵在全球科研與產(chǎn)業(yè)界引起了更廣泛的重視。
氧化鎵是一種新型寬禁帶半導體材料，已知晶相共6種，包括α，β，γ等5種穩(wěn)定相和1個瞬態(tài)相k-Ga2O3[1]。其中，β-Ga2O3（β相氧化鎵）最為穩(wěn)定，當加熱至一定高溫時，其他亞穩(wěn)態(tài)均轉(zhuǎn)換為β相，在熔點1800℃時必為β相。目前產(chǎn)業(yè)化以β相氧化鎵為主，以下所涉及到的研究均為β-Ga2O3。
β-Ga2O3材料與其他常見半導體材料的基本物理性質(zhì)
氧化鎵之所以能夠賦予器件前所未有的性能，一大原因歸結(jié)于它的禁帶寬度。Ga2O3的禁帶寬度約為4.9eV，高于SiC（3.3eV）和GaN（3.4eV）,相比之下氧化鎵的禁帶寬度占有絕對的優(yōu)勢。而且β-Ga2O3的生長速率快于SiC和GaN，襯底工藝也相對較簡單。
除了材料性能優(yōu)異如帶隙比SiC和GaN大，利用Ga2O3作為半導體材料的主要原因是其生產(chǎn)成本較低。目前GaN基藍光LEDs的襯底主要是藍寶石(Al2O3)和SiC。藍寶石雖透明，但為絕緣體；導電的SiC是不透明的,且價格又非常的高。而β-Ga2O3與GaN的匹配性很好，晶格失配率很低，價格相對便宜，更重要的是β-Ga2O3兼具藍寶石(Al2O3)的透明性和SiC的導電性，有望取代藍寶石(Al2O3)和SiC成為GaN的下一代的襯底材料。所以，β-Ga2O3半導體材料的應(yīng)用潛力十分巨大[2]。
Ga2O3材料的潛在應(yīng)用方向很多，包括光電探測、功率器件、射頻器件、氣敏傳感、光催化、信息存儲和太陽能利用等。目前，Ga2O3商業(yè)化趨勢明朗的應(yīng)用領(lǐng)域主要有2個方面。
日盲紫外光電探測器作為光譜探測不可或缺的部分，在導彈跟蹤、火災(zāi)預(yù)警和深空探測等諸多關(guān)鍵應(yīng)用場景中發(fā)揮著重要作用。在這些獨特的應(yīng)用場景中，日盲紫外光電探測器將不可避免地面對極端惡劣的環(huán)境（如高溫、高電場、高輻射）。然而，傳統(tǒng)的硅基日盲紫外探測器對紫外光靈敏度低、熱穩(wěn)定性差，難以滿足苛刻環(huán)境下高靈敏探測的需求。Ga2O3材料帶隙為4.9eV，對應(yīng)的吸收波長約為250nm (日盲紫外200-280nm)的深紫外光，剛好為日盲紫外波段，是日盲紫外探測較為理想的候選材料。
功率器件對材料的耐擊穿場強要求較高，具有較大擊穿電場強度的材料，所具備的功率器件性能會越好。Ga2O3材料的帶隙較寬，具有較大的擊穿場強。根據(jù)理論分析，Ga2O3材料的擊穿場強可以達到8MV/cm，是Si材料的20倍以上，比目前第3代半導體中的SiC和GaN材料高出一倍以上。Ga2O3材料除了具有高的擊穿場強外，制備成器件后能耗也大大降低，是Si、GaN和SiC不能比的。由于Ga2O3材料具有高耐壓、低功耗的優(yōu)勢，未來在高溫、高頻、大功率電力電子器件制備中具有廣闊的應(yīng)用價值。
氧化鎵研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進展
日本企業(yè) Novell Crystal Technology （簡稱“NCT”）作為Ga2O3晶體研發(fā)領(lǐng)域的領(lǐng)導者，是最早能夠量產(chǎn)氧化鎵基礎(chǔ)材料（單晶和外延）及器件的企業(yè)。目前，Novell Crystal Technology 與佐賀大學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程中產(chǎn)生的一種特定粉末所造成的缺陷過多問題。通過改善成膜條件之后，成功制造出了第三代氧化鎵4英寸外延片[3]。
日本田村制作所( Tamura) 在單晶生長方面處于領(lǐng)先地位，已經(jīng)實現(xiàn)了2英寸晶圓的產(chǎn)業(yè)化，并生長獲得了6英寸晶體。其與NCT合作成功開發(fā)了世界上第1個由Ga2O3外延膜制成的溝槽型MOS功率晶體管，其功耗僅為傳統(tǒng)硅MOSFET的 1/1000[4-5]。
2015年，日本信息與通信技術(shù)研究所（NICT）通過HVPE的方法，成功生長了 7 μm的低摻雜外延層（摻雜濃度為 1×1016cm-3），并基于該材料制備了二極管，通過變溫 C-V、I-V 特性研究，發(fā)現(xiàn)器件正向?qū)娏鞣蠠犭娮影l(fā)射機制，反向漏電流傳輸符合熱場發(fā)射機制[6]。
美國空軍研究室（AFR L）在2012年注意到了NICT的成功，研究員Gregg Jessen領(lǐng)導的團隊探索了Ga2O3材料的特性，結(jié)果顯示，Ga2O3材料的速度和高臨界場強在快速功率開關(guān)和射頻功率應(yīng)用中具有顛覆性的潛力。在這個成果的激勵下，Jessen建立了美國的Ga2O3研究基礎(chǔ)，獲得了首批樣品。AFRL目前致力于將電子束曝光技術(shù)引入到Ga2O3器件的制程工藝中，并將晶體管的尺寸降到微米級以下，這樣將可使器件具備非常高的速度和擊穿電壓，成為快速開關(guān)應(yīng)用的有力競爭產(chǎn)品[7]。
我國的氧化鎵襯底能夠小批量供應(yīng)，外延、器件環(huán)節(jié)產(chǎn)業(yè)化進程幾乎空白，研發(fā)主力軍和突出成果都在高校和科研院所當中。從公開資料顯示，目前從事Ga2O3材料和器件研究的單位和企業(yè)，主要包括中電科46所、西安電子科技大學、北京郵電大學、中科院上海光機所、中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、復(fù)旦大學、南京大學、山東大學、中國科技大學、廈門大學、鄭州大學等高校及科研院所?？萍汲晒D(zhuǎn)化的公司有北京鎵族科技有限公司、杭州富加鎵業(yè)科技有限公司等。
中國科學院上海光學精密機械研究所的張俊剛等[8]利用FZ法制備了不同Sn摻雜濃度的 β-Ga2O3晶體，當時的氧化鎵只是被視為透明導電氧化物或外延生長其他材料的襯底。
中國電子科技集團公司第四十六研究所的張勝男、練小正等[9-10]在多年的晶體生長基礎(chǔ)上，通過改進熱場結(jié)構(gòu)、優(yōu)化生長氣氛和晶體生長工藝，有效抑制了晶體生長過程中的原料分解、多晶形成、晶體開裂等問題，采用導模法成功制備出了高質(zhì)量4英寸β-Ga2O3單晶。
在器件方面，中國電子科技集團公司第十三研究所在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平，該單位的研究人員創(chuàng)新性采用柵下熱氧化技術(shù)，實現(xiàn)增強型Ga2O3MOSFET器件，閾值電壓達到 4.1V，開關(guān)比達到108。提出的雙層源場板結(jié)構(gòu)可以有效抑制Ga2O3溝道和氮化硅（SiN）鈍化層中的尖峰電場強度，器件擊穿電壓超過 3000V。
氧化鎵作為新型超寬禁帶半導體材料，具有物理性能優(yōu)異、成本低、質(zhì)量高等優(yōu)勢，在半導體領(lǐng)域獲得了廣泛。相比于目前常見的寬禁帶半導體 SiC和GaN，Ga2O3的Baliga品質(zhì)因數(shù)更大、預(yù)期生長成本更低，在高壓、大功率、高效率、小體積電子器件方面更具潛力。根據(jù)日本氧化鎵行業(yè)龍頭NCT預(yù)測氧化鎵晶圓粉市場到2030年度將擴大到約590億日元（約合4.7億美元）規(guī)模。
據(jù)日本市場調(diào)查公司富士經(jīng)濟預(yù)測，氧化鎵功率元件的市場到2030年度將會達到1542億日元(約合12.2億美元)規(guī)模。值得注意的是這個市場規(guī)模要比目前氮化鎵功率元件的規(guī)模(約合8.6億美元)還要大。
總的來說，在未來10年，氧化鎵器件將有可能成為直接與碳化硅競爭的電力電子器件，但作為半導體新材料，氧化鎵市場規(guī)模的突破取決于成本的快速降低。
[1] 陶緒堂,穆文祥,賈志泰. 寬禁帶半導體氧化鎵晶體和器件研究進展[J]. 中國材料進展,2020,39(02):113-123.
[2] 張宏哲,王林軍,夏長泰,賽青林,肖海林. 寬禁帶半導體β-Ga2O3單晶的研究進展[J]. 人工晶體學報,2015,44(11):2943-2953.
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2023第一屆電動車用陶瓷材料技術(shù)研討會
當前，汽車產(chǎn)業(yè)進入百年一遇的大變革時期，汽車電動化正成為新的發(fā)展潮流和趨勢。電動化浪潮下汽車的各大系統(tǒng)設(shè)計均發(fā)生了翻天覆地的變化，不僅發(fā)動機變速箱等這些大總成正經(jīng)歷一場變革，其零部件材料及設(shè)計的新舊更替也在迅速刷新著整條產(chǎn)業(yè)鏈。
目前來看，先進陶瓷材料憑借特殊性能優(yōu)勢正在加速“上車”。從最基礎(chǔ)的鋰電材料用陶瓷窯具、電池隔膜涂層，到軸承、剎車片、基板、電容器、繼電器等零部件，再到汽車零部件的高效切削加工，先進陶瓷材料的優(yōu)勢在新能源汽車產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮得淋漓盡致。
種種跡象表明，電動汽車已經(jīng)成為先進陶瓷應(yīng)用與發(fā)展的新風口。
為此，中國粉體網(wǎng)將于2023年9月12日在合肥舉辦“第一屆電動車用陶瓷材料技術(shù)研討會”，會議誠邀先進陶瓷、新能源汽車行業(yè)研發(fā)與生產(chǎn)單位、設(shè)備制造企業(yè)等上下游產(chǎn)業(yè)人員參會交流，共同探討新能源汽車用陶瓷材料與技術(shù)，推動我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。
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