據(jù)日本媒體報道，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省(METI)加大對新一代低能耗半導體材料“氧化鎵”的重視，為致力于開發(fā)新材料的企業(yè)提供大量財政支持，及METI將為明年留出大約2030萬美元去資助相關企業(yè)，預計未來5年的資助將超過8560萬美元。
經(jīng)歷了日美“廣場協(xié)定”的日本 在半導體領域的優(yōu)勢已經(jīng)完全轉移到了材料和設備方面，如在硅片方面，日本的幾家公司名列前茅，各種用在半導體芯片生產(chǎn)的氣體和化合物方面，日本也不遑多讓。
最近內(nèi)國內(nèi)媒體常提到的EUV光刻方面，雖然日本并沒有提供相應光刻機，但他們幾乎壟斷了全球的EUV光刻膠供應，所以他們看好的半導體材料，是有一定的代表意義的。
在這里，我們來深入了解一下日本看好的這項半導體材料是什么。
1、什么是氧化鎵?
氧化鎵(Ga2O3)是一種新興的超寬帶隙(UWBG)半導體，擁有4.8eV的超大帶隙。作為對比，SiC和GaN的帶隙為3.3eV，而硅則僅有1.1eV，那就讓這種新材料擁有更高的熱穩(wěn)定性、更高的電壓、再加上其能被廣泛采用的天然襯底，讓開發(fā)者可以輕易基于此開發(fā)出小型化，高效的大功率晶體管。這也是為什么在以SiC和GaN為代表的寬帶隙(WBG)半導體器件方面取得了巨大進步的時候，Ga2O3仍然吸引了開發(fā)者的廣泛興趣。
2、Si，SiC，GaN和Ga2O3對比
從器件的角度來看，Ga2O3的Baliga品質因子要比SiC高出二十倍。對于各種應用來說，陶瓷氧化物的帶隙約為5eV，遠遠高于SiC和GaN的帶隙，后兩者都不到到3.5eV。因此，這種陶瓷氧化物器件可以承受比SiC或GaN器件更高的工作電壓，導通電阻也更低。
再從另一個角度看，易于制造的天然襯底，載流子濃度的控制以及固有的熱穩(wěn)定性也推動了Ga2O3器件的發(fā)展。相關論文表示，用Si或Sn對Ga2O3進行N型摻雜時，可以實現(xiàn)良好的可控性。盡管某些UWBG半導體(例如AlN，c-BN和金剛石)在BFOM圖表中擊敗了Ga2O3，但它們的廣泛使用受到了嚴格的限制。換而言之，AlN，c-BN和金剛石仍然缺乏高質量外延生長的合適襯底。
相關報道指出，Ga2O3具有五個不同的相態(tài)，其中，α相具有與Al2O3或藍寶石相同的剛玉型晶體結構，這為研究者們在藍寶石襯底上實現(xiàn)無應力Ga2O3層的沉積的提供了研發(fā)思路。
相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，從數(shù)據(jù)上看，氧化鎵的損耗理論上是硅的1/3,000、碳化硅的1/6、氮化鎵的1/3。這就讓產(chǎn)業(yè)界人士對其未來有很高的期待。而成本更是讓其成為一個吸引產(chǎn)業(yè)關注的另一個重要因素。
3、按步驟劃分的Ga2O3襯底制造成本
據(jù)市場調查公司-富士經(jīng)濟于2019年6月5日公布的寬禁帶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1,085億日元規(guī)模還要大。
4、行業(yè)的領先廠商
既然這個材料擁有這么領先的性能，自然在全球也有不少的公司投入其中。首先看日本方面，據(jù)半導體行業(yè)觀察了解，京都大學投資的Flosfia、NICT和田村制作所投資的Novel Crystal是最領先的Ga2O3供應商。
相關資料顯示，F(xiàn)losfia成立于2011年3月，由京都大學研究人員Toshimi Hitora，Shizuo Fujita和Kentaro Kaneko共同創(chuàng)立，不同于世界其他地區(qū)對GaN或SiC外延生長的方法研究，F(xiàn)losfia的研究人員開發(fā)了一種新型的制備方法，它是將氧化鎵層沉積于藍寶石襯底上來制備功率器件。這主要依賴于其一項名為“Mist Epitaxy”(噴霧干燥法)的化學氣相沉積工藝。
5、Mist Epitaxy簡單介紹
我們知道，傳統(tǒng)的化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition;CVD)是在真空狀態(tài)下借反應氣體間的化學反應產(chǎn)生所需要的薄膜，但大面積化有其困難，花費成本大也是問題點之一。但Flosfia所采用的Mist Epitaxy是將液體霧化之后再應用至成膜制程上。由于原料為液體，所以原料的選擇性大幅提高，不需真空處理亦使得大面積化變得可行，這就有助于降低成本支出。
按照Flosfia官方所說，他們所產(chǎn)生的MISTDRY技術使他們能夠基于氧化鎵制造二極管和晶體管，而這些二極管和晶體管只需要比以前的體積少十分之一的電源。
6、傳統(tǒng)SBD同樣Flosfia的SBD的對比
從官網(wǎng)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(jīng)送樣，而其521V耐壓器件的導通電阻僅為為0.1mΩcm，855V耐壓的SBD導通電阻也只是為0.4mΩcm。由此足以見證到這些器件的優(yōu)勢。
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2018年成功開發(fā)出具有藍寶石結構的Ga2O3絕緣效應晶體管(MOSFET)，根據(jù)這項研究的結果，功率轉換器的小型化可能會達到十分之幾，并且降低成本的效果有望達到總功率轉換器的50%。這就讓這項技術和產(chǎn)品有望應用于需要安全性的各種電源中，并有望支持電動汽車和小型AC適配器的普及。
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-Ga2O3)。據(jù)電裝表示，通過這兩家公司對面向車載的氧化鎵(α-Ga2O3)的聯(lián)合開發(fā)，汽車電動化的主要單元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，燃料費用的節(jié)約改善起到積極作用，從而實現(xiàn)人、車、環(huán)境和諧共存。
從Flosfia的報道可以看到，他們也計劃今年擴大規(guī)模，并實現(xiàn)量產(chǎn)。
Novel Crystal Technology(以下簡稱NCT)則成立于2015年，公司所采用的方案是基于HVPE生長的Ga2O3平面外延芯片，他們的目標是加快超低損耗，低成本β-Ga2O3功率器件的產(chǎn)品開發(fā)。開發(fā)出β-Ga2O3功率器件。
資料顯示，NCT已經(jīng)成功開發(fā)，制造和銷售了直徑最大為4英寸的氧化鎵晶片。而在2017年11月，Nove Crystal Technology與Tamura Corporation合作成功開發(fā)了世界上第一個由氧化鎵外延膜制成的溝槽MOS型功率晶體管，其功耗僅為傳統(tǒng)硅MOSFET的1/1000。
7、氧化鎵溝槽MOS型功率晶體管的示意圖
按照他們的規(guī)劃，從2019財年下半年開始，NCT將開始提供擊穿電壓為650-V的β-Ga2O3溝槽型SBD的10-30 A樣品。他們還打算從2021年開始推進大規(guī)模生產(chǎn)的準備工作。公司還致力于快速開發(fā)100A級別的β-Ga2O3功率器件。
自2012年以后，業(yè)界不斷公布關于氧化稼功率元件的研發(fā)、試做成果。迄今為止，已經(jīng)試做了橫型MES FET、橫型MOS FET、Normally Off的縱型MIS FET。在SBD的實驗中，已經(jīng)證明了氮化鎵器件的導通電阻比碳化硅的SBD低得多!在初級試驗階段就可以證明其性能超過碳化硅功率元件。而現(xiàn)在參加研發(fā)的日本企業(yè)持續(xù)增加。
來到美國方面，在今年六月，美國紐約州立大學布法羅分校(the University at Buffalo)正在研發(fā)一款基于氧化鎵的晶體管，據(jù)他們介紹，基于這種晶體管打造的器件能夠處理8000V以上的電壓，而且只有一張紙那么薄。可以幫助制造出更小、更高效的電子系統(tǒng)，用在電動汽車、機車和飛機等場景。
此外，美國佛羅里達大學、美國海軍研究實驗室和韓國大學的研究人員也在研究氧化鎵MOSFET。佛羅里達大學材料科學與工程教授Stephen Pearton表示，它們看好氧化鎵作為MOSFET的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
8、中國在這個領域的現(xiàn)狀
面對這項新技術，國內(nèi)表現(xiàn)又是如何呢? 讓我們從網(wǎng)上的材料一窺其蛛絲馬跡。
據(jù)觀察者網(wǎng)在2019年2月的報道，中國電科46所經(jīng)過多年氧化鎵晶體生長技術探索，通過改進熱場結構、優(yōu)化生長氣氛和晶體生長工藝，有效解決了晶體生長過程中原料分解、多晶形成、晶體開裂等問題，采用導模法成功制備出高質量的4英寸氧化鎵單晶。報道指出，中國電科46所制備的氧化鎵單晶的寬度接近100mm，總長度達到250mm，可加工出4英寸晶圓、3英寸晶圓和2英寸晶圓。經(jīng)測試，晶體具有很好的結晶質量，將為國內(nèi)相關器件的研制提供有力支撐。
在2019年12月，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所研究員歐欣課題組和西安電子科技大學郝躍課題組教授韓根全攜手。在氧化鎵功率器件領域取得了新進展。
據(jù)中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所報道，歐欣課題組和韓根全課題組利用“萬能離子刀”智能剝離與轉移技術，首次將晶圓級β-Ga2O3單晶薄膜(<400 nm)與高導熱的Si和4H-SiC襯底晶圓級集成，并制備出高性能器件。報道指出，該工作在超寬禁帶材料與功率器件領域具有里程碑式的重要意義。首先，異質集成為Ga2O3晶圓散熱問題提供了最優(yōu)解決方案，勢必推動高性能Ga2O3器件研究的發(fā)展;其次，該研究將為我國Ga2O3基礎研究和工程化提供優(yōu)質的高導熱襯底材料，推動Ga2O3在高功率器件領域的規(guī)模化應用。
而在今年六月，復旦大學方志來團隊在p型氧化鎵深紫外日盲探測器研究中取得重要進展。報道表示，方志來團隊采用固-固相變原位摻雜技術，同時實現(xiàn)了高摻雜濃度、高晶體質量與能帶工程，從而部分解決了氧化鎵的p型摻雜困難問題。
9、結語
可以肯定的是，氧化鎵是一個很好的材料，但從西安電子科技大學郝躍院士在《半導體學報》的報道看來，氧化鎵氧的低熱導率問題值得關注，而P型摻雜依然是一個巨大的挑戰(zhàn)。
其他挑戰(zhàn)還包括研制出具有低缺陷密度高可靠的柵介質、更低阻值的歐姆接觸、更有效的終端技術比如場版和金屬環(huán)用來提高擊穿電場、更低缺陷密度及更耐壓的Ga2O3外延層以及更大更便宜的單晶襯底。
氧化鎵功率器件為高效能功率器件的選擇提供新的方案，它的未來將大放光彩。