氮化鎵，日本加大力度研究的新一代半導(dǎo)體材料

據(jù)日本媒體報道，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省(METI)加大對新一代低能耗半導(dǎo)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(guān)企業(yè)，預(yù)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(dǎo)體領(lǐng)域的優(yōu)勢已經(jīng)完全轉(zhuǎn)移到了材料和設(shè)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(dǎo)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(yīng)光刻機(jī)，但他們幾乎壟斷了全球的EUV光刻膠供應(yīng)，所以他們看好的半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體器件方面取得了巨大進(jìn)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(zhì)因子要比SiC高出二十倍。對于各種應(yīng)用來說，陶瓷氧化物的帶隙約為5eV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dǎo)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(guān)論文表示，用Si或Sn對Ga2O3進(jìn)行N型摻雜時，可以實現(xiàn)良好的可控性。盡管某些UWBG半導(dǎo)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(yán)格的限制。換而言之，AlN，c-BN和金剛石仍然缺乏高質(zhì)量外延生長的合適襯底。

相關(guān)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(lán)寶石相同的剛玉型晶體結(jié)構(gòu)，這為研究者們在藍(lán)寶石襯底上實現(xiàn)無應(yīng)力Ga2O3層的沉積的提供了研發(fā)思路。

相關(guān)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(guān)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(diào)查公司-富士經(jīng)濟(jì)于2019年6月5日公布的寬禁帶功率半導(dǎo)體元件的全球市場預(yù)測來看，2030年氧化鎵功率元件的市場規(guī)模將會達(dá)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(lǐng)先廠商

既然這個材料擁有這么領(lǐng)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(dǎo)體行業(yè)觀察了解，京都大學(xué)投資的Flosfia、NICT和田村制作所投資的Novel Crystal是最領(lǐng)先的Ga2O3供應(yīng)商。

相關(guān)資料顯示，F(xiàn)losfia成立于2011年3月，由京都大學(xué)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(lán)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(xué)氣相沉積工藝。

5、Mist Epitaxy簡單介紹

我們知道，傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition;CVD)是在真空狀態(tài)下借反應(yīng)氣體間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生所需要的薄膜，但大面積化有其困難，花費(fèi)成本大也是問題點(diǎn)之一。但Flosfia所采用的Mist Epitaxy是將液體霧化之后再應(yīng)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(shù)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(dǎo)通電阻僅為為0.1mΩcm，855V耐壓的SBD導(dǎo)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(rèn)為用氧化鎵無法制造P型半導(dǎo)體。但京都大學(xué)的Shizuo Fujita與Flosfia合作在2018年成功開發(fā)出具有藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)的Ga2O3絕緣效應(yīng)晶體管(MOSFET)，根據(jù)這項研究的結(jié)果，功率轉(zhuǎn)換器的小型化可能會達(dá)到十分之幾，并且降低成本的效果有望達(dá)到總功率轉(zhuǎn)換器的50%。這就讓這項技術(shù)和產(chǎn)品有望應(yīng)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(yīng)用的下一代Power半導(dǎo)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(shù)革新指日可待。此技術(shù)將對電動汽車的更輕量化發(fā)展，燃料費(fèi)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(kuò)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(biāo)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(jìn)大規(guī)模生產(chǎn)的準(zhǔn)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(guān)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(dǎo)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(xué)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?？梢詭椭圃斐龈?、更高效的電子系統(tǒng)，用在電動汽車、機(jī)車和飛機(jī)等場景。

此外，美國佛羅里達(dá)大學(xué)、美國海軍研究實驗室和韓國大學(xué)的研究人員也在研究氧化鎵MOSFET。佛羅里達(dá)大學(xué)材料科學(xué)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?

8、中國在這個領(lǐng)域的現(xiàn)狀

面對這項新技術(shù)，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(shù)探索，通過改進(jìn)熱場結(jié)構(gòu)、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(dǎo)模法成功制備出高質(zhì)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(dá)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(jié)晶質(zhì)量，將為國內(nèi)相關(guān)器件的研制提供有力支撐。

在2019年12月，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員歐欣課題組和西安電子科技大學(xué)郝躍課題組教授韓根全攜手。在氧化鎵功率器件領(lǐng)域取得了新進(jìn)展。

據(jù)中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)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(zhuǎn)移技術(shù)，首次將晶圓級β-Ga2O3單晶薄膜(<400 nm)與高導(dǎo)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(lǐng)域具有里程碑式的重要意義。首先，異質(zhì)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(chǔ)研究和工程化提供優(yōu)質(zhì)的高導(dǎo)熱襯底材料，推動Ga2O3在高功率器件領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用。

而在今年六月，復(fù)旦大學(xué)方志來團(tuán)隊在p型氧化鎵深紫外日盲探測器研究中取得重要進(jìn)展。報道表示，方志來團(tuán)隊采用固-固相變原位摻雜技術(shù)，同時實現(xiàn)了高摻雜濃度、高晶體質(zhì)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(jié)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(xué)郝躍院士在《半導(dǎo)體學(xué)報》的報道看來，氧化鎵氧的低熱導(dǎo)率問題值得關(guān)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(zhì)、更低阻值的歐姆接觸、更有效的終端技術(shù)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。