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第四代半导体新势力!突围!

发布时间:2022-09-09 11:13:05 浏览次数:88次

“充电5分钟,通话2小时”,一个小小的充电头,如何具备这样神奇的能力?


近年来,随着新能源汽车、高铁、量子通信等领域的崛起,金刚石、氧化镓(β-Ga2O3)、氮化铝(AlN)等更具优势的半导体材料引起了国内外学者的广泛关注。

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来源:中国科学院上海光学精密机械研究所


氧化镓单晶是一种透明的氧化物材料,作为典型的新型超宽禁带(Eg,导带的最低能级和价带的最高能级之间的能)半导体,它具有优于前几代半导体材料的优良性能,以及相对低廉的成本。



氮化镓、氧化镓,一代更比一代强

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在我们刚用上氮化镓(GaN,第三代半导体材料)制成的充电头时,科学家与产业界便已瞄准更强的第四代半导体材料:氧化镓(Ga2O3),它甚至能超越“充电5分钟,通话2小时”的神话,制造出更强的充电头。



第四代半导体材料中,氧化镓最有希望成为继第三代半导体碳化硅和氮化镓之后,最具市场潜力的材料。


氧化镓有α、β、γ、ε和δ这5种同分异构体,其中β相氧化镓材料最为稳定,也是目前半导体界研究最多,离应用最近的材料。


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β相氧化镓晶体结构


其单晶具有很高的热稳定性和化学稳定性,且有高可见光和紫外光的透明度,是制造高温高频高功率微电子器件、日盲紫外光电探测器、紫外透明导电电极的极佳半导体材料。


此外,相较于金刚石和氮化铝受限于大尺寸高质量单晶制备技术难以突破的现状,氧化镓单晶可以采用经济高效的熔体法制备技术进行单晶生长,速度快、成本低、成品率高。


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,可在高低温、强辐射等极端环境下保持稳定的性质。


超高临界击穿场强(8MV/cm)、较短的吸收截止边及超强的透明导电性等优异的物理性能,更是使其制备的氧化镓器件可以在超高电压下使用。



国内外氧化镓研究现状

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2012年,NICT(日本国立信息通信技术研究所)开发出了世界首个单晶β-氧化镓场效应晶体管(MESFET),其击穿电压达到250V以上。


达到这个里程碑,氮化镓用了近20年。


2015年,NICT和田村制作所合作投资成立了氧化镓产业化企业NCT(Novel Crystal Technology)。


现在,这两家企业是日本氧化镓研发的中坚企业,也是世界上唯二两家能够量产氧化镓材料(单晶和外延)及器件的企业,整个业界已经呈现出“All Japan”的景象。


2015年,日本推出高质量氧化镓单晶衬底,2016年又推出了同质外延片,此后,世界各国纷纷将目光投向了氧化镓材料的器件研究。


2012年,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。


2018年,美国纽约州立大学布法罗分校的研究团队制造了一个由5微米厚(一张纸厚约100微米)的氧化镓制成的MOSFET,击穿电压为1,850 V,用于制造更小、更高效的电子系统。


虽然中国镓元素储量全球第三位,但直到2017年年底,国内首家专业从事Ga2O3半导体材料开发及应用产业化的公司才诞生——北京镓族科技有限公司。


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氧化镓晶圆   

图片来源:浙江大学、杭州国际科创中心


注:晶圆按直径分为4英寸、6英寸、8英寸、12英寸等规格,芯片是从加工后的晶圆上切割下来的,但晶圆与芯片却是一圆一方,因此晶圆越大才能切出更多完整的芯片。


国内中电科46所、上海光机所、复旦大学、南京大学、浙江大学等研究机构,已开发出自主知识产权的生长技术,但最高只能制造出到4英寸的晶圆,成熟度和稳定性还不及国外。



氧化镓这么了不起,怎么还没出名

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当下,市场对于氧化镓的渴望愈演愈烈。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。

市场调查公司富士经济预测,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),比氮化镓功率元件的规模(约合8.6亿美元)更大。在辐射探测领域的传感器芯片和超大功率芯既然有着如此得天独厚的资质,为何氧化镓迟迟不能在市场上大展拳脚呢?其实,这是由于氧化镓的大规模制备卡在了半路上。

随着研究深入和器件应用明朗,氧化镓的产业化也逐渐走上康庄大道。

氧化镓的研究主要以应用为导向发展,被制成一定尺寸的晶圆,是氧化钾投入产业化生产的关键点所在。

当然,人无完人,氧化镓也绝不是毫无缺点的。相比于碳化硅和氮化镓,氧化镓的迁移率和导热率低,因此导致设备性能下降;此外,氧化镓难以制造p型半导体,制成高性能器件难度很高。幸运的是,科研人员在研究中发现,通过缩小体型、厚度,修改构型等方法,可以有效规避这些缺点,真正让氧化镓“扬长避短”。



总结

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。

近十年内,氧化镓的进展,眼看离产业只差一步之遥。

碳化硅的发展用了40年。

循此足迹,先在市场门槛较低的快充和工业电源领域落地,后在汽车领域爆发,氧化镓的“出头之日”必然也不远了。