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氧化镓成“镓族”新势力:优劣势并存,趋利避害

氧化镓成“镓族”新势力:优劣势并存,趋利避害

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近日,有报道称,韩国30家半导体企业、大学以及研究所组建了碳化硅产业联盟,目的是为了应对急速增长的碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化镓(Ga2O3)等宽禁带半导体所引领的新型功率半导体市场。与此同时,日本企业Novel Crystal Technology(NCT)与日本酸素控股旗下的大阳日酸、东京农工大学合作实现了氧化镓功率半导体的6英寸成膜,突破了只能在最大4英寸晶圆上成膜的技术瓶颈,此技术有望把成本降至碳化硅功率半导体的三分之一。

在后摩尔时代,具有先天性能优势的宽禁带半导体材料脱颖而出,以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体,凭借其大幅降低电力传输中能源消耗的显著优势,在功率器件和射频器件领域大放异彩,成为全球半导体行业的研究焦点。而氧化镓的出现带来了新风向,作为超宽禁带半导体,研究证明,以氧化镓材料所制作功率器件,相较于碳化硅和氮化镓所制成的产品,更加耐热且高效、成本更低、应用范围更广。所以业内普遍认为,氧化镓有望替代碳化硅和氮化镓成为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,氧化镓正在逐渐成为半导体材料界一颗冉冉升起的新星。


百家争鸣,恐落人后


“氧化镓是一种新型超宽禁带半导体材料,与碳化硅、氮化镓相比,氧化镓的禁带宽度达到了4.9eV,高于碳化硅的3.25eV和氮化镓的3.4eV,确保了其抗辐照和抗高温能力,可以在高低温、强辐射等极端环境下保持稳定的性质;而其高击穿场强的特性则确保了制备的氧化镓器件可以在超高电压下使用,有利于提高载流子收集效率。”北京科技大学新材料技术研究院教授李成明介绍道。但氧化镓作为新生代宽禁带半导体材料,目前还处于研发阶段,国内外企业都在攻坚克难,争取拔得头筹。


日本企业Novell Crystal Technology作为氧化镓晶体研发领域的先驱,是世界上最早能够量产氧化镓基础材料(单晶和外延)及器件的企业,正在联合村田制作所、三菱电机、日本电装和富士电机等科技巨头,以及东京农工大学、京都大学和日本国家信息与通信研究院等科研机构,推动氧化镓单晶及衬底材料以及下游功率器件的产业化发展。

近日,Novell Crystal Technology与佐贺大学合作攻克了其第二代氧化镓4英寸外延片中由外延式沉积成膜过程中产生的一种特定粉末所造成的缺陷过多问题。通过改善成膜条件之后,成功制造出了第三代氧化镓4英寸外延片,缺陷降低到0.7个/c㎡,相较上一代产品,缺陷降至7%左右。


此外,Novell Crystal Technology还完成了300A~500A级的大型氧化镓肖特基势垒二极管的原型样品制作。这将使氧化镓功率器件能够真正被广泛应用于电动汽车等需要100A级功率器件的市场中。预计到2030年左右,以原油计算,节能效果将超过10万千升/年。


我国也在进行氧化镓的研发。中国科协发布的2021年度“科创中国”系列榜单中,中山大学王钢教授团队自主研发的科研成果“大尺寸氧化镓单晶薄膜异质外延生长技术及核心装备”荣登“先导技术榜”。王钢教授团队研发的设备通过独特的反应腔设计,解决了氧化镓薄膜材料异质外延生长过程中预反应强等问题,提高了批次的均匀性和良率。同时,采用多层匀气送气结构和特种喷射技术以及加热控制系统,解决了大容量大尺寸反应腔加工制造过程中的焊接组装问题,有望成为我国新兴超宽禁带功率半导体材料产业化突破口,推动我国氧化镓基功率电子器件的发展和产业化进程。


而在全球半导体产业具有全面领先优势的美国,正在从前沿军事技术布局的角度大力发展氧化镓材料及功率器件。美国空军研究实验室、美国海军实验室和美国宇航局,积极寻求与美国高校和全球企业合作,开发耐更高电压、尺寸更小、更耐辐照的氧化镓功率器件。德国莱布尼茨晶体生长研究所、法国圣戈班等全球企业/科研机构也加入了氧化镓材料及器件研发的浪潮中,这种半导体材料可谓是吸引了世界的广泛关注。


我国研究氧化镓的机构和高校较多,也取得了很多研究成果,有望在应用场景和需求量逐渐明确之后,进行科技成果转移。专家表示,氧化镓基本尚未产业化,中国企业机会很多,要找准需求点,利用好现有的科研成果,以取得发展的优势。


优劣势并存,趋利避害


中国科学院院士郝跃在接受采访时明确指出,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。但氧化镓目前的研发进度还不够快,仍需不懈努力。


目前针对氧化镓展开研究的各大企业、高校和研究所都对氧化镓的性能寄予厚望,但距离真正实际应用还需要解决很多关键的瓶颈问题。


目前研发上遇到的障碍主要有两方面,一是大尺寸高质量单晶的制作,目前仅有日本企业研发出6英寸单晶,但是还未实现批量供货。二是氧化镓材料大功率、高效率电子器件还处于实验室阶段的研发,在大规模实际应用方面还有欠缺。


“氧化镓的禁带宽度比氮化镓、碳化硅等更宽,功率可以做得更高,也更加省电。氧化镓的制备条件比较苛刻,目前外延材料以2-3寸的小尺寸为主,量产和应用还有一段路要走。”西安电子科技大学郭辉副教授向《中国电子报》记者表示。


中国科学院半导体研究所研究员闫建昌表示:“散热能力不足是氧化镓的弊端,如何绕开这个弊端的话,去充分发挥它在功率器件的优势,是值得关注的发展方向。氧化镓在器件和产业发展上还有很大的空间,发展的基础取决于材料本身和材料制备水平,要实现更低的缺陷密度,把材料的优势和潜力充分发掘出来,这是未来超宽禁带技术和产业发展的基础。”


大尺寸低缺陷氧化镓单晶的制备方法以及高表面质量氧化镓晶片的超精密加工技术是实现氧化镓半导体器件工业应用的主要瓶颈。李成明指出,氧化镓材料的短板主要在于导热性能较差。因此,许多单位开展将转移晶圆级氧化镓薄膜于高导热衬底的研究。如转移到高导热率碳化硅和碳基衬底上异质集成制备氧化镓MOSFET器件,近日也出现了将氧化镓与金刚石进行键合的消息。


专业分析师池宪念建议,未来氧化镓材料需要在高质量、低缺陷、大尺寸单晶方面的生产技术进行突破,并在实验室电子器件的商业化、大规模应用上进行发力。

超越氮化镓,未来可期


虽然仍处于研发阶段,但氧化镓应用前景已经被多领域广泛看好。


李成明指出,以氧化镓为基础材料的功率器件具有更高的击穿电压与更低的导通电阻,从而拥有更低的导通损耗和更高的功率转换效率,在功率电子器件方面具有极大的应用潜力。而在日盲紫外探测方面,氧化镓具有独特的优势,可以利用这点制作光电子器件。如制作对紫外区域、波长短、禁带宽等有需求的日盲光电器件。


芯谋研究高级分析师张彬磊向《中国电子报》记者表示,氧化镓作为一种新兴的超宽带隙导体,拥有4.9~5.3eV的超大带隙(SiC和GaN的带隙为3.3eV,硅则仅有1.1eV),让这种新材料拥有更高的功率特性以及深紫外光电特性,同时这种材料又具有很好的热稳定性,因此有望基于氧化镓材料开发出小型化、高效的、耐热性优良的超大功率晶体管。


张彬磊预测,氧化镓未来的主要应用场景:一是在辐射探测领域的传感器芯片,另一个将会是在大功率和超大功率芯片方面。


池宪念则认为,氧化镓在超宽禁带系统可用的功率和电压范围方面会发挥重要作用。所以,电力调节和配电系统中的高压整流器、电动汽车和光伏太阳能系统等将是氧化镓的有利应用场景。


目前,市场对于氧化镓的渴望愈发强烈,NCT预测氧化镓晶圆的市场到2030年度将扩大到约590亿日元(约合4.7亿美元)规模,而从市场调查公司富士经济对宽禁带功率半导体元件的全球市场预测来看,2030年氧化镓功率元件的市场规模将会达到1542亿日元(约合12.2亿美元),这个市场规模要比氮化镓功率元件的规模(约合8.6亿美元)还要大。


“实际上半导体新材料未来市场规模的预测必然取决于它的制造成本快速降低,氧化镓的晶圆制备思路已经回归到单晶硅的制备体系轨道,再加上为了适应新材料半导体架构的适配设计,氧化镓晶圆的市场将超出我们的想象。”李成明表示。


池宪念则更加大胆地预测,氧化镓比起以往的电子元件更有效率,在晶圆价格方面也比碳化硅等要更为低廉。2030年氧化镓功率半导体市场规模将达15亿美元。


来源: 许子皓 中国电子报

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