近日，廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院楊偉鋒教授團(tuán)隊(duì)在第四代半導(dǎo)體氧化鎵（β-Ga2O3）外延生長(zhǎng)技術(shù)和日盲光電探測(cè)器制備方面取得重要進(jìn)展，為β-Ga2O3異質(zhì)外延薄膜的大面積生長(zhǎng)和高性能的器件應(yīng)用提供了重要支持。

β-Ga2O3材料因其本征日盲光吸收(254 nm)，簡(jiǎn)單二元組成，帶隙可調(diào)，制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)在日盲光電探測(cè)器領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。在β-Ga2O3薄膜生長(zhǎng)方面，研究團(tuán)隊(duì)利用分子束外延技術(shù)（MBE）實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、低缺陷密度的外延薄膜生長(zhǎng)。并通過改變反應(yīng)物前驅(qū)體和精密控制生長(zhǎng)參數(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了β-Ga2O3外延薄膜的均勻生長(zhǎng)和優(yōu)良的晶體質(zhì)量，有力地推動(dòng)了β-Ga2O3薄膜的高質(zhì)量異質(zhì)外延的發(fā)展。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還通過對(duì)MBE外延生長(zhǎng)過程中的β-Ga2O3薄膜生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)探究，揭示了其成核、生長(zhǎng)的差異性，并建立了相對(duì)應(yīng)的外延生長(zhǎng)機(jī)理模型圖。

在β-Ga2O3日盲光電探測(cè)器制備方面，研究團(tuán)隊(duì)基于II型能帶結(jié)構(gòu)制備的CuCrO2/β-Ga2O3 p-n異質(zhì)結(jié)型的自供電日盲光電探測(cè)器具有6.5 pA的低暗電流、5.7×104的高光暗電流比、50 mA/W的高響應(yīng)度、3.7×1012 Jones的高探測(cè)率和24.6%的高外量子效率，優(yōu)于大多數(shù)報(bào)道的基于β-Ga2O3的異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器。

另外，研究團(tuán)隊(duì)在MBE異質(zhì)外延β-Ga2O3生長(zhǎng)機(jī)制的基礎(chǔ)上，結(jié)合半導(dǎo)體光電響應(yīng)原理，探究了異質(zhì)外延β-Ga2O3薄膜日盲光電探測(cè)器的性能指標(biāo)。研究團(tuán)隊(duì)利用臭氧作為前驅(qū)體所制備的金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)日盲光電探測(cè)器表現(xiàn)出7.5 pA的暗電流、1.31×107的光暗電流比、1.31×1015 Jones的比檢測(cè)率和 53 A/W的光響應(yīng)度，表現(xiàn)出相當(dāng)優(yōu)異的對(duì)日盲紫外光的探測(cè)性能。

同時(shí)針對(duì)外延薄膜光電探測(cè)器暗電流大的不足，研究團(tuán)隊(duì)在金半界面處引入了鈍化層改善器件性能：利用AlN/β-Ga2O3界面工程對(duì)金半界面處的載流子傳輸進(jìn)行調(diào)控，所制備的金屬-絕緣體-半導(dǎo)體-絕緣體-金屬（MISIM）結(jié)構(gòu)的日盲光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了響應(yīng)度和響應(yīng)速度的同時(shí)優(yōu)化。具有 3 nm AlN 層的光電器件表現(xiàn)出482 A/W的響應(yīng)度、2.48×1015 Jones 的比探測(cè)率和0.10 s的快下降時(shí)間。

研究團(tuán)隊(duì)在β-Ga2O3材料和器件的研究進(jìn)展為超寬禁帶半導(dǎo)體在日盲深紫外探測(cè)器領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展提供了技術(shù)參考，推動(dòng)超寬禁帶半導(dǎo)體基光電子技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，為構(gòu)建低噪聲、高光響應(yīng)的光電子器件開拓了研究途徑。


超越碳化硅，氧化鎵的優(yōu)勢(shì)

氧化鎵，這種第四代半導(dǎo)體材料，具備禁帶寬度大（4.8 eV）、臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)高（8MV/cm）、導(dǎo)通特性好等優(yōu)勢(shì)。氧化鎵有五種已確認(rèn)的結(jié)晶形態(tài)，其中最穩(wěn)定的是β-Ga2O3。其禁帶寬度為4.8～4.9 eV，擊穿場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)8 MV/cm，而其導(dǎo)通電阻比SiC、GaN低得多，極大降低了器件的導(dǎo)通損耗。其特性參數(shù)巴利加優(yōu)質(zhì)（BFOM）高達(dá)3400，大約是SiC的10倍、GaN的4倍。

相比于碳化硅和氮化鎵，氧化鎵的生長(zhǎng)過程可以使用常壓下的液態(tài)熔體法，這使得其品質(zhì)高、產(chǎn)量大且成本低。但 SiC、 GaN等材料因其特殊性質(zhì)，目前僅能采用氣相法制備，且需保持較高的溫度、較高的能耗。這意味著，在生產(chǎn)上，氧化鎵會(huì)占據(jù)一定的成本優(yōu)勢(shì)，而國(guó)內(nèi)的工廠也會(huì)迅速擴(kuò)大產(chǎn)能。

與SiC相比， 氧化鎵在各方面都優(yōu)于SiC。特別是其較大的禁帶寬度和較高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，使得它在大功率和高頻率應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)。


氧化鎵的具體應(yīng)用和市場(chǎng)潛力

氧化鎵的發(fā)展前景日益凸顯，該市場(chǎng)當(dāng)前主要由日本的Novel Crystal Technology (NCT)和Flosfia兩大巨頭壟斷。NCT自2012年開始投入氧化鎵的研發(fā)，成功突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括2英寸氧化鎵晶體與外延技術(shù)，以及氧化鎵材料的量產(chǎn)等。其高效性與高性能受到了行業(yè)的廣泛認(rèn)可。其在2021年成功量產(chǎn)4英寸氧化鎵晶圓，并已開始供應(yīng)客戶晶圓，為日本在第三代化合物半導(dǎo)體競(jìng)賽中再度保持領(lǐng)先。

據(jù)NCT預(yù)測(cè)，氧化鎵晶圓的市場(chǎng)在未來十年將放量增長(zhǎng)，到2030年度將擴(kuò)大到約30.2億元人民幣規(guī)模。FLOSFIA預(yù)測(cè)，到2025年，氧化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模將開始超過氮化鎵，2030年將達(dá)到15.42億美元（約100億元人民幣），占碳化硅的40%，是氮化鎵的1.56倍。根據(jù)富士經(jīng)濟(jì)的預(yù)測(cè)，到2030年，氧化鎵功率元件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1,542億日元（約92.76億元人民幣），將超過氮化鎵功率元件的市場(chǎng)規(guī)模。這種趨勢(shì)反映了氧化鎵在功率電子設(shè)備中的重要性及其未來的潛力。

在一些特定應(yīng)用領(lǐng)域，氧化鎵有著巨大的優(yōu)勢(shì)。在功率電子領(lǐng)域，氧化鎵功率器件與氮化鎵、碳化硅有部分重合，軍用領(lǐng)域主要應(yīng)用于高功率電磁炮、坦克戰(zhàn)斗機(jī)艦艇等電源控制系統(tǒng)以及抗輻照、耐高溫宇航用電源等。民用領(lǐng)域則主要應(yīng)用于電網(wǎng)、電力牽引、光伏、電動(dòng)汽車、家用電器、醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)類電子等領(lǐng)域。

新能源車市場(chǎng)也為氧化鎵提供了巨大的應(yīng)用場(chǎng)景。然而，國(guó)內(nèi)在車規(guī)級(jí)功率器件方面一直很薄弱，目前尚無車規(guī)的SiC MOS IDM。雖然有幾家在XFab代工的Fabless企業(yè)可以快速具備較為全面的SBD和MOS規(guī)格推向市場(chǎng)，銷售和融資進(jìn)展較為順利，但是未來仍要自建FAB 形成IDM掌握產(chǎn)能、研發(fā)獨(dú)有工藝，才能產(chǎn)生差異化的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

充電樁對(duì)成本非常敏感，這就為氧化鎵提供了機(jī)會(huì)。如果能滿足甚至超過性能需求的同時(shí)，以成本優(yōu)勢(shì)獲得市場(chǎng)的認(rèn)可，那么氧化鎵在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用就有很大的可能性。

在射頻器件市場(chǎng)，氧化鎵的市場(chǎng)容量可參考碳化硅外延氮化鎵器件的市場(chǎng)。新能源汽車的核心是逆變器，對(duì)器件的規(guī)格要求非常高。目前，有意法半導(dǎo)體、日立、安森美、Rohm等企業(yè)能夠量產(chǎn)供應(yīng)車規(guī)級(jí)SiC MOSFET。預(yù)計(jì)到2026年，這一數(shù)字將增長(zhǎng)至22.22億美元（約150億元人民幣），表明氧化鎵在射頻器件市場(chǎng)具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力。

電力電子領(lǐng)域的另一項(xiàng)重要應(yīng)用是48V電池。隨著鋰電池的廣泛使用，可以用更高的電壓系統(tǒng)取代鉛蓄電池12V電壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效、減重、節(jié)能的目的。這些鋰電池系統(tǒng)內(nèi)將廣泛采用48V電壓，對(duì)于電子電力系統(tǒng)來說，需要的是高效率的48V→12V/5V轉(zhuǎn)換。以二輪電動(dòng)車市場(chǎng)為例，據(jù)2020年的資料顯示，中國(guó)電動(dòng)兩輪車總體產(chǎn)量為4834萬輛，同比增長(zhǎng)27.2%，鋰電滲透率超過16%。面對(duì)這樣的市場(chǎng)，氧化鎵、GaN和硅基SG-MOS器件等100V耐壓大電流器件正在瞄準(zhǔn)這個(gè)應(yīng)用發(fā)力。

在工業(yè)領(lǐng)域，它有幾大機(jī)會(huì)和優(yōu)勢(shì)，包括單極替換雙極，更高的能效，易于大規(guī)模生產(chǎn)，以及可靠性的需求。這些特性使得氧化鎵在未來的電力應(yīng)用中可能扮演重要角色。長(zhǎng)期來看，氧化鎵的功率器件預(yù)計(jì)將在650V/1200V/1700V/3300V的市場(chǎng)中發(fā)揮作用，并預(yù)計(jì)在2025年至2030年將全面滲透車載和電氣設(shè)備領(lǐng)域。短期來說，氧化鎵的功率器件將首先在消費(fèi)電子、家電以及高可靠、高性能的工業(yè)電源等領(lǐng)域出現(xiàn)。它的這些特性可能使其在硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等材料之間形成競(jìng)爭(zhēng)。


無銥制備氧化鎵，

PK碳化硅的時(shí)點(diǎn)即將到來

對(duì)于同一種材料，不能“既要便宜，也要性能好”，只能通過開發(fā)新一代材料來突破新的性能和成本瓶頸。氧化鎵的出現(xiàn)讓進(jìn)化半導(dǎo)體CEO許照原頗為驚喜。一次偶然的機(jī)會(huì)，讓他開始關(guān)注氧化鎵的性能并開始組建團(tuán)隊(duì)進(jìn)行研發(fā)。

功率半導(dǎo)體應(yīng)用，主要是圍繞耐壓、電流、功率、損耗、散熱幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估?！皬牟牧咸匦詠砜?，氧化鎵擁有10倍于碳化硅的功率特性優(yōu)勢(shì)，但是成本有潛力做到碳化硅的1/10。”許照原說，與碳化硅一樣，氧化鎵適用于高功率、大電壓領(lǐng)域。相比碳化硅，氧化鎵在性能和成本上更具優(yōu)勢(shì)。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，從同樣基于6英寸襯底的最終器件的成本構(gòu)成來看，基于氧化鎵材料的器件成本為195美元，約為碳化硅材料器件成本的1/5，與硅基產(chǎn)品的成本所差無幾。此外，氧化鎵的晶圓產(chǎn)線與硅、碳化硅、氮化鎵的差別不大，轉(zhuǎn)換成本不高。以目前業(yè)界的評(píng)估來說，氧化鎵的芯片產(chǎn)線改造難度不大，比如將LED的工廠稍加轉(zhuǎn)換就可以開始投入生產(chǎn)。

這么好的材料，為什么走出實(shí)驗(yàn)室的速度較慢？談及原因，許照原解釋，因?yàn)檠趸壥窃诟邷睾醐h(huán)境下生長(zhǎng)，需要用到耐高溫、耐氧化的材料，制備晶體普遍采用銥金作為坩堝材料，產(chǎn)業(yè)界對(duì)采用這種貴金屬才能制備的材料短期內(nèi)挑戰(zhàn)碳化硅的地位抱有懷疑態(tài)度。

值得注意的是，目前，進(jìn)化半導(dǎo)體、日本東北大學(xué)，都開發(fā)了不使用銥金的“無銥工藝”制備氧化鎵，浙江大學(xué)在研發(fā)相比導(dǎo)模法用銥量大幅減少的“少銥工藝”，都在努力嘗試降低氧化鎵成本的創(chuàng)新方法。多點(diǎn)發(fā)力給了產(chǎn)業(yè)界信心，認(rèn)為氧化鎵與碳化硅競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)點(diǎn)即將到來。

作為國(guó)內(nèi)目前唯一采用無銥法工藝制備氧化鎵的公司，許照原表示，進(jìn)化半導(dǎo)體未來三年將實(shí)現(xiàn)氧化鎵襯底的大幅度降價(jià)，新工藝有望實(shí)現(xiàn)8英寸襯底成本低至500元，僅為同尺寸SiC襯底的1/10。

談及如何制備氧化鎵，目前市面上主要有導(dǎo)模法（EFG法）和無銥法等方法。導(dǎo)模法是當(dāng)前唯一能制造大尺寸氧化鎵襯底的工藝，但是無法實(shí)現(xiàn)低成本大批量的產(chǎn)業(yè)化供應(yīng)。事實(shí)上，盡管導(dǎo)模法為產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，但是這種工藝方法的產(chǎn)業(yè)化遇到了較大的障礙，主要是因?yàn)閷?dǎo)模法需要用到貴金屬銥（Ir）。在業(yè)界看來，導(dǎo)模法的工藝極限，是可以把氧化鎵襯底成本做到同尺寸碳化硅的50%-60%，按現(xiàn)在的發(fā)展速度，達(dá)到產(chǎn)業(yè)鏈成熟、氧化鎵量產(chǎn)應(yīng)用的時(shí)間點(diǎn)大概是10年以后。無銥法則可以大大提速氧化鎵的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

許照原表示，在設(shè)備投入僅5%的情況下，同樣時(shí)間可以生長(zhǎng)一爐次，無銥法制備氧化鎵的產(chǎn)量是EFG法的100倍，大幅度降低長(zhǎng)晶環(huán)節(jié)的成本，顯著提升了產(chǎn)能，有機(jī)會(huì)快速形成市場(chǎng)影響。當(dāng)然技術(shù)逐步成熟還需要努力和沉淀，但可以預(yù)見，無銥法有利于提高各環(huán)節(jié)企業(yè)熱情，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈更加完備。