以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導體材料，憑借耐高溫、抗高壓、開關速度快、效率高、節(jié)能、壽命長等特點，近年來被國內(nèi)外相關企業(yè)持續(xù)關注和布局，相信這股熱潮將會一路延續(xù)到2023年。
然而，在寬禁帶半導體材料發(fā)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），并將其視為“替代碳化硅和氮化鎵”的新一代半導體材料的代表。目前，各國的半導體企業(yè)都爭先恐后布局氧化鎵，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(yōu)越的氧化鎵
氧化鎵是一種超寬禁帶材料，超越了目前已經(jīng)商用器件的禁帶寬度，達到了4.2電子伏特以上，也有人稱之為第四代半導體材料。
表1橫向對比了各種半導體材料的性能數(shù)據(jù)，可以看出，氧化鎵擁有超寬帶隙（4.2-4.9eV）、超高臨界擊穿場強（8MV/cm）、超強透明導電性等優(yōu)異物理性能，它的各項性能指標較硅、碳化硅以及氮化鎵有著顯著的優(yōu)勢，和金剛石相比性能稍差，但是目前金剛石的制備特別困難，距離器件應用還需要不少投入。
最后兩項數(shù)據(jù)中，BFOM是衡量器件的高功率性能，JFOM是衡量射頻性能，因此氧化鎵從材料本質來說，是適合于高功率以及高頻應用的，例如可以有效降低新能源汽車、軌道交通、可再生能源發(fā)電等領域在能源方面的消耗。
目前已發(fā)現(xiàn)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(wěn)定性最佳，禁帶寬度~4.8eV），而α相（高禁帶寬度~5.3eV）和ε相（極化率十倍于氮化鎵，適合于高電子遷移率晶體管）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禁帶材料。
氧化鎵的優(yōu)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，氧化鎵的制造成本較硅略有提高，和碳化硅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(chǎn)仍然處于早期階段。
多國爭搶15億美元市場
氧化鎵在近10年左右開始受到產(chǎn)業(yè)關注，短短4至5年時間就已經(jīng)出現(xiàn)了高質量的襯底和外延片，發(fā)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(guī)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，氧化鎵器件有可能成為有競爭力的電力電子器件，會直接與碳化硅器件競爭。
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(chǎn)。2014年日本用倒模法生長了4英寸的晶圓，2016年推出了6英寸，隨后又實現(xiàn)了4英寸氧化鎵材料的突破及產(chǎn)業(yè)化。美國、德國、法國等也在加緊氧化鎵產(chǎn)品的研究和競爭，如美國的空軍研究實驗室、海軍實驗室和宇航局；德國的萊布尼茨晶體生長研究所、以及法國圣戈班等都已加入氧化鎵材料及器件研發(fā)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(yè)方面，據(jù)不完全統(tǒng)計，2022年以來多家上市公司紛紛披露氧化鎵相關業(yè)務研發(fā)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(chuàng)等。而初創(chuàng)企業(yè)方面，以杭州富加鎵業(yè)、北京銘鎵半導體、北京鎵族科技、深圳進化半導體等已經(jīng)開始嶄露頭角，例如稼族科技在2017年已經(jīng)能生產(chǎn)2英寸晶圓。
氧化鎵功率器件的應用進展
基于氧化鎵材料，目前它在光電器件和功率器件產(chǎn)生了不少應用。在功率器件里，目前主要是肖特基二極管和場效應晶體管，其它器件結構還未開展。
（1）氧化鎵基肖特基二極管
對于肖特基二極管，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優(yōu)化空間，另外由于功率集成的重要性日益突出，橫向肖特基二極管也應受到關注。
對于p型摻雜，氧化物半導體通常很難同時實現(xiàn)實用的P型和N型，例如氧化鎳通常是P型的，而氧化鎵里P型則很難實現(xiàn)。因此可以考慮發(fā)展異質PN結來進一步改善功率器件的性能。
肖特基勢壘高度對于肖特基二極管而言是十分重要的，高肖特基勢壘帶來低泄露電流，但開態(tài)壓降隨之增加，反之亦然，需根據(jù)具體應用場景來選擇合適的勢壘高度。
（2）氧化鎵基場效應晶體管
對于場效應晶體管，其發(fā)展進度落后于肖特基二極管。更低的外延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(fā)兼顧電流驅動能力和增強型的橫向功率器件。
此外，中國科大國家示范性微電子學院對氧化鎵光電探測器作出前沿研究。
光電探測器在目標跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、光通信、深空探索等諸多領域發(fā)揮著越來越重要的作用。響應度和響應速度是光電探測器的兩個關鍵的性能參數(shù)，然而這兩個指標之間存在著制約關系，此消彼長。由于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禁帶半導體探測器中尤為突出?？梢酝ㄟ^引入額外的輔助光源實現(xiàn)對向光柵（OPG）調控方案，來緩解上述制約關系。
不可否認，氧化鎵具有寬禁帶半導體獨特的性能優(yōu)勢。目前，單晶和外延已經(jīng)出現(xiàn)突破的曙光，高性能的原型器件已經(jīng)實現(xiàn)，散熱不成問題。作為智慧高效能電力電子器件，氧化鎵潛力無限。（文：國際電子商情）
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