10年後氧化鎵將直接與碳化矽競爭

作者 : Momo Zhong,國際電子商情(ESMC)

以碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬能隙(WBG)半導體材料,憑藉諸多特點,近年來被許多相關企業持續關注和佈局,相信這股熱潮將會一路延續到2023年。

然而,在寬能隙半導體材料發展勢如破竹的同時,學術界和科研界不約而同地展望下一代半導體材料——氧化鎵(Ga2O3),並將其視為「替代碳化矽和氮化鎵」的新一代半導體材料的代表。目前,各國的半導體企業都爭先恐後佈局氧化鎵,氧化鎵正在逐漸成為半導體材料界一顆冉冉升起的新星。

性能優越的氧化鎵

氧化鎵是一種超寬能隙材料,超越了目前已經商用元件的能隙寬度,達到了4.2電子伏特(eV)以上,也有人稱之為第四類半導體材料。

 

表1:各種半導體材料的性能數據比較。

(來源:學術研究報告,國際電子商情製表)

 

表1比較了各種半導體材料的性能資料,可以看出,氧化鎵擁有超寬能隙(4.2~4.9eV)、超高臨界擊穿場強(8MV/cm)、超強透明導電性等優異物理性能,它的各項性能指標較矽、碳化矽以及氮化鎵有著顯著的優勢,和金剛石相比性能稍差,但是目前金剛石的製備特別困難,距離元件應用還需要不少投入。

最後兩項資料中,BFOM是衡量元件的高功率性能,JFOM是衡量射頻性能,因此氧化鎵從材料本質來說,是適合於高功率以及高頻應用的,例如可以有效降低新能源車、軌道交通、可再生能源發電等領域在能源方面的消耗。

目前已發現的氧化鎵擁有5種同質異形體,材料性質各有千秋。目前研究比較多的是β相(熱穩定性最佳,能隙寬度~4.8eV),而α相(高能隙寬度~5.3eV)和ε相(極化率十倍於氮化鎵,適合於高電子遷移率電晶體)方面的研究也逐漸增加。所以從材料屬性來說,氧化鎵是一種很有希望的超寬能隙材料。

氧化鎵的優勢不僅是材料性能高,更重要的是成本較低。2019年有研究結論提出,氧化鎵的製造成本較矽略有提高,和碳化矽相比僅有它的三分之一。當然這一點目前還做不到,因為目前氧化鎵晶圓的研究和生產仍然處於早期階段。

多國爭搶15億美元市場

氧化鎵在近10年開始受到產業關注,短短4~5年時間就已經出現了高品質的基板和磊晶片,發展速度十分驚人。有分析師預測,到2030年,氧化鎵功率半導體市場規模將達15億美元。中國科學院院士郝躍表示,氧化鎵材料是最有可能在未來大放異彩的材料之一,在未來的10年左右,氧化鎵元件有可能成為有競爭力的電力電子元件,會直接與碳化矽元件競爭。

氧化鎵目前主要是中日美三國在進行研究。晶圓主要是中日在進行生產。2014年日本用倒模法生長了4吋的晶圓,2016年推出了6吋,隨後又實現了4吋氧化鎵材料的突破及產業化。美國、德國、法國等也在加緊氧化鎵產品的研究和競爭,如美國的空軍研究實驗室、海軍實驗室和NASA;德國萊布尼茨晶體生長研究所、以及法國聖戈班等都已加入氧化鎵材料及元件研發的浪潮中。

中國則是中電研究所、山大、北郵等科研機構研究較多。企業方面,據不完全統計,2022年以來多家上市公司紛紛披露氧化鎵相關業務研發情況,涉及公司包括中航機電、新湖中寶、中鋼國際、藍曉科技、南大廣電、阿石創等。而新創企業方面,以杭州富加鎵業、北京銘鎵半導體、北京鎵族科技、深圳進化半導體等已經開始嶄露頭角,例如稼族科技在2017年已經能生產2吋晶圓。

氧化鎵功率元件的應用進展

基於氧化鎵材料,目前它在光電元件和功率元件產生了不少應用。在功率元件裡,目前主要是蕭特基二極體和場效電晶體,其他元件結構還未開展。

1.氧化鎵基蕭特基二極體

對於蕭特基二極體,其精準的勢壘高度調控仍然是個難題,同時其體電場仍有較大的最佳化空間,另外由於功率整合的重要性日益突出,橫向蕭特基二極體也應受到關注。

對於p型摻雜,氧化物半導體通常很難同時實現實用的P型和N型,例如氧化鎳通常是P型,而氧化鎵裡P型則很難實現。因此可以考慮發展異質PN結來進一步改善功率元件的性能。

蕭特基勢壘高度對於蕭特基二極體而言十分重要。高蕭特基勢壘帶來低洩露電流,但開態壓降隨之增加,反之亦然,需根據具體應用場景來選擇合適的勢壘高度。

2.氧化鎵基場效電晶體

對於場效電晶體,其發展進度落後蕭特基二極體。更低的磊晶層摻雜濃度和更高的遷移率未來將會有所突破。另外先進的耐壓技術例如高K、電荷平衡、異質結構等會帶來更為顯著的性能提升。此外,還應開發兼顧電流驅動能力和增強型的橫向功率元件。此外,中國科大國家示範性微電子學院對氧化鎵光電探測器作出前瞻研究。

光電探測器在目標追蹤、環境監測、光通訊、深空探索等諸多領域發揮著越來越重要的作用。回應度和回應速度是光電探測器的兩個關鍵的性能參數,然而這兩個指標之間存在著制約關係,此消彼長。由於缺乏成熟的材料缺陷控制技術,該問題在以氧化鎵材料為代表的超寬能隙半導體探測器中尤為突出,可以透過引入額外的輔助光源實現對向光閘(OPG)調控方案,來緩解上述制約關係。

不可否認,氧化鎵具有寬能隙半導體獨特的性能優勢。目前,單晶和磊晶已經出現突破的曙光,高性能的原型元件已經實現,散熱不成問題。作為智慧高效能電力電子元件,氧化鎵潛力無限。

本文原刊登於國際電子商情網站

 

 

活動簡介
未來寬能隙半導體元件會在哪些應用成為主流?元件供應商又會開發出哪些新的應用寬能隙元件的電路架構,以協助電力系統開發商進一步簡化設計複雜度、提升系統整體效率?TechTaipei「寬能隙元件市場與技術發展研討會」將邀請寬能隙半導體的關鍵供應商一一為與會者解惑。
贊助廠商

加入我們官方帳號LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論