一文读懂氧化镓半导体

日期:2022-09-06 阅读:626
核心提示:近日,美国商务部工业和安全局对四项新兴和基础技术建立了出口管制,其中包括超宽带隙半导体材料氧化镓(Ga2O3)。氧化镓材料有
 
近日,美国商务部工业和安全局对四项新兴和基础技术建立了出口管制,其中包括超宽带隙半导体材料——氧化镓Ga2O3
氧化镓材料有五种同分异构体,包括α、β、γ、δ、ε相,其中β-Ga2O3是热力学上最稳定的相,而其他的晶型都属于亚稳态晶体结构。因此业界研究以β-氧化镓为主。

材料特性

β-氧化镓是一种深紫外透明半导体氧化物,临界电场强度8 MV/cm,是其最大优势,它还具有4.6-4.8 eV的禁带宽度。
资料来源:GREGGH.JESSEN等人在2017年第75届年度设备研究会议(DRC)上发表“TOWARD REALIZATION OF Ga2OFOR POWER ELECTRonICS APPLICATIONS”。


氧化镓兼备高耐压,低电阻和低成本三重优势:一、氧化镓具有超宽禁带,超高击穿场强;二、氧化镓功率器件导通电阻更低,器件电能损耗更低;三、氧化镓单晶可通过熔融法实现,单晶衬底成本更低。其弱点在于导热率低,散热难;p型掺杂难度较大。

此外,氧化镓薄膜对应的吸收波长为253nm,处在太阳光盲区(240-280 nm)波段中,因此是制备太阳光盲深紫外探测器的理想材料。

因此,氧化镓在日盲紫外(200-300 nm波段)器件和超高功率(1-10 kW)电力电子器件方面有着无法取代的应用价值。
发展历程

氧化镓晶体生长研究可以追溯到上世纪60年代,到2008年日本并木精密宝石有限公司的H.Aida等人成功生长出2英寸的β-Ga2O3单晶。日本田村公司(Tamura Corporation)实现了2英寸晶圆的产业化,目前已经可以生长获得6英寸的晶体。

此外,德国莱布尼兹晶体生长研究所、美国空军实验室及Notthrop Grumman公司也通过提拉法生长获得了2英寸晶体。

β-Ga2O3晶体生长发展历程

日本在氧化镓研究上是比较超前的。2012年日本道了第一颗氧化镓功率器件,2015年推出了高质量氧化镓单晶衬底、2016年推出了同质外延片。

日本氧化镓研发的中坚企业是2011年京都大学投资成立的公司“FLOSFIA”,和2015年日本情报通信研究机构(NICT)与田村制作所合作投资成立的氧化镓产业化企业“Novel Crystal Technology”,简称“NCT”。
β- Ga2O3单晶、外延、器件发展时间线
 
资料来源:《超宽禁带半导体β- Ga2O3相关研究进展》,王新月等
 

氧化镓应用领域包括:

透明导电氧化物薄膜
氧化镓晶体化学性质稳定,不易被腐蚀,机械强度高,高温下性能稳定,有高的可见光和紫外光的透明度,尤其是其在紫外和蓝光区域透明,这是传统的透明导电材料所不具备的,因此β-Ga2O3晶可以成为新一代透明导电材料,在太阳能电池、平板显示技术上得到应用。

日盲紫外光探测器及气体传感器
由于氧化镓高温下性能稳定,有高的可见光和紫外光的透明度,尤其是在紫外和蓝光区域透明,因此日盲紫外探测器是目前氧化镓比较确定的一条应用路线。

功率电子
氧化镓率器件跟氮化镓、碳化硅有部分重合,在军民应用领域有广泛的应用前景。在军用领域可用于高功率电磁炮、坦克战斗机舰艇等电源控制系统以及抗辐照、耐高温宇航用电源等,可大幅降低武器装备系统损耗,减小热冷系统体积和重量,满足军事应用部件对小型化、轻量化、快速化与抗辐照耐高温的要求;在民用领域可用于电网、电力牵引、光伏、电动汽车、家用电器、医疗设备和消费类电子等领域,能够实现更大的节能减排。

衬底材料
氧化镓能通过提拉法快速制备,是一种有潜力的衬底材料,可用来制备大功率GaN基LED,也可以利用同质外延制备新型氧化镓基功率电子器件。

制造工艺
β-氧化镓的生长分为衬底材料的生长和薄膜的生长。

β-氧化镓
单晶衬底材料的生长方法有升华法,提拉法(熔体法)和HVPE等。

β-氧化镓单晶薄膜的生长技术有金属有机气相沉积法(MOCVD)和分子束外延法(MBE),其中MOCVD法质量较高,可实现多片快速生长,适用于工业化生产,生长采用的金属有机源为三甲基镓,氧源为高纯氧气,生长温度为550-700摄氏度。

良率低、成本高、制备方法尚待优化

氧化镓产业化的第一个难点在于材料制备,氧化镓大尺寸单晶生长制备难度大。大尺寸高质量的β-氧化镓晶圆生产同第三代半导体材料一样需要高温。β-氧化镓单晶熔点达 1820 ℃,高温生长过程中极易分解挥发,容易产生大量的氧空位,进而造成镶嵌结构、螺旋位错等缺陷,此外高温下分解生成的 GaO 、 Ga2O 和 Ga 等气体会严重腐蚀铱金坩埚。因此相较于GaN和SiC,氧化镓半导体生长需要定制的MOCVD和HVPE设备。

日本企业 NCT作为氧化镓晶体研发领域的先驱,采用导模法成功生长最大 6 英寸氧化镓单晶,而其它方法仍然无法制造产业所需的大尺寸衬底。但导模法制造的氧化镓在制造过程中需要使用贵金属铱(Ir)的坩埚,每克铱的价格高达上千元,约是黄金价格的 3-5 倍。
在器件工艺方面,由于氧化镓晶体脆性较大、易解理属性较强、断裂韧性较低,传统的游离磨料研磨加工很容易在表面产生裂纹和凹坑等缺陷,因此需要特殊的干法以及湿法刻蚀设备以及特殊的抛光和封装设备。

产业现状

从全球范围来看,对于第四代半导体氧化镓的研究,以日本最为领先。早在2012年,日本便获得2英寸氧化镓材料,并于2014年实现了批量产业化,随后又实现了4英寸氧化镓材料的突破及产业化。

目前,日本企业NCT正联合村田制作所、三菱电机、日本电装和富士电机等科技巨头,以及东京农工大学、京都大学和日本国家信息与通信研究院等科研机构,推动氧化镓单晶及衬底材料以及下游功率器件的产业化发展。

此外,美国的空军研究实验室、海军实验室和宇航局、德国的莱布尼茨晶体生长研究所,以及法国圣戈班等都已加入氧化镓材料及器件研发的浪潮中。国内外氧化镓相关产品仅有衬底和外延片,大电流和高压器件、模块正在开发中。目前有多所高校、科研院所和科技企业开展氧化镓的相关研究。国内氧化镓材料研究以山东大学、中国电科四十六所、中科院上海光机所、北京镓族科技(北京铭镓半导体、北京镓和半导体)、杭州富加镓业等单位为主。外延研究以中国电科四十六所、中国科学技术大学、南京大学等单位为主。器件方面研究以西安电子科技大学、中国电科十三所、中国科学技术大学、南京大学、中山大学等单位为主。

推动氧化镓的产业发展需要促进衬底、外延、器件、电路产业链全面发展。氧化镓可以应用于光电探测器,功率器件等领域,目前约80%的研究机构朝着功率器件的方向努力。但由于氧化镓材料适用于高功率领域,这就意味着其下游应用不能从消费电子开始,而需要从工业领域、新能源汽车等领域缓慢导入。因此氧化镓下游应用还需时间。
市场规模

目前氧化镓单晶衬底供应方面,日本NCT公司占有全球90%以上的市场份额。
据NCT预测,到2030年氧化镓晶圆的市场将达到约590亿日元(约4.2亿美元)。有数据显示,到2030年,氧化镓功率半导体市场规模将达15亿美元。

器件方面,氧化镓功率电子器件制备面对p型掺杂的缺失和导热性差两个关键问题,目前仍处于研究开发阶段。日本Flosfia公司提出到 2023 年夏季实现每月数十万只新能源车用氧化镓功率器件的生产能力,实现 1000 亿日元(约7.32 亿美元)销售额的目标。
(来源;材料深一度)
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