隨著量子信息、人工智能等高新技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)對半導體及微電子等多功能器件的要求越來越高，即使第三代半導體技術(shù)也不能完全讓人滿意，為了滿足高性能、低成本的需求，第四代半導體成為關(guān)注的對象，其中最引人矚目的就是氧化鎵。
近期市場上又不斷出現(xiàn)關(guān)于氧化鎵制備技術(shù)突破的消息。10月8日，東京農(nóng)工大學與大陽日酸CSE聯(lián)合推出一種名為“有機金屬化學氣相沉積（MOCVD）法”的技術(shù)，可以通過充滿氣態(tài)原料的密閉裝置，在基板上形成氧化鎵晶體，這一創(chuàng)新方法預計將降低設備的保養(yǎng)需求和運營開支，目前，大陽日酸正在將此技術(shù)商業(yè)化，以滿足客戶需求。
10月11日，一家俄羅斯公司JSC Rokor也宣布開發(fā)了一項生產(chǎn)單晶氧化鎵晶圓的突破性技術(shù)，據(jù)了解此方法擺脫了對傳統(tǒng)制造方法至關(guān)重要且昂貴材料銥的需求，這將顯著降低生產(chǎn)成本，據(jù)估計可能降低三到七倍，目前Rokor表示正準備應用此技術(shù)投入生產(chǎn)。
作為第四代半導體，氧化鎵具有耐高壓、耐高溫、小體積、低功耗等特性，不過制備技術(shù)的不成熟以及尚且高昂的成本一直制約著其商業(yè)化應用，如今隨著技術(shù)的突破似乎迎來了新的發(fā)展契機。
性能更優(yōu)的氧化鎵
氧化鎵是一種超寬禁帶的半導體材料，其禁帶寬度達到了4.9eV，高于碳化硅的3.2eV和氮化鎵的3.39eV，更寬的禁帶寬度意味著電子需要更多的能量從價帶躍遷到導帶，因此在超高溫、強輻射等極端環(huán)境下也能保持性能穩(wěn)定。
同時，氧化鎵的導通特性約為碳化硅的10倍，理論擊穿場強約為碳化硅3倍多，意味著氧化鎵能適應更高壓、損耗更低，有數(shù)據(jù)顯示，氧化鎵的損耗理論上是硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化鎵的1/3，這將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。
此外，在同等規(guī)格下，寬禁帶材料可以制造芯片尺寸更小、功率密度更高的器件，節(jié)省配套散熱和晶圓面積，進一步降低成本，氧化鎵的諸多優(yōu)異特性讓其逐漸成為下一世代重要、且最具潛力的寬能隙半導體系列材料。
中國科學院院士郝躍曾表示，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。
2022年8月，美國將高純度的半導體材料氧化鎵列入禁止對華出口管制清單中；2023年8月，中國商務部和海關(guān)總署正式對半導體原料鎵實施出口管制，氧化鎵已成為國家間爭奪下一時代半導體主導權(quán)的重要部分。
氧化鎵理論生產(chǎn)成本更低
氧化鎵生長的工藝流程是從原料在坩堝中熔化和拉晶開始，之后經(jīng)過切、磨、拋的工序，形成氧化鎵單晶襯底，再經(jīng)過外延工藝，得到同質(zhì)外延或異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)，最終加工為氧化鎵晶圓。
理論上，相比于碳化硅和氮化鎵，氧化鎵擁有更低的生產(chǎn)成本，因為其生長過程可以使用常壓下的液態(tài)熔體法，而碳化硅和氮化鎵由于自身的特性，只能使用氣相法生產(chǎn)，氧化鎵液態(tài)熔體法每小時可生長10~30mm，每爐2天，而碳化硅氣相法生長，每小時生長0.1~0.3mm，每爐7天，速度快了約100倍，基板更容易制造，從而顯著降低了成本。
不過氧化鎵液態(tài)熔體法生產(chǎn)，需要依賴銥坩堝，在高溫富氧的環(huán)境下，制備氧化鎵原料容易分解成Ga和O2，只有貴金屬銥坩堝能夠在這種極端環(huán)境下保持穩(wěn)定，然而銥坩堝價格非常高昂，同時非常容易損耗，生長幾十爐后就會被腐蝕，需要重新熔煉加工，并且在長晶過程中，銥會形成雜質(zhì)進入晶體降低成品率，因此行業(yè)內(nèi)對于開發(fā)無銥法有著很強的需求。
基于此各國都在努力突破氧化鎵的無銥法制備技術(shù)，在去年4月，日本C&A公司就宣布，采用一種銅坩堝的直拉法生長出2寸氧化鎵單晶，能夠?qū)⒊杀窘抵翆７ǖ?/100；此次新開發(fā)的“有機金屬化學氣相沉積（MOCVD）法”則可以將晶體的生長速度提高到了每小時約16微米，達到傳統(tǒng)方法的約16倍。
無銥法制備的氧化鎵單晶（來源：日本C&A公司）
俄羅斯公司Rokor新開發(fā)的工藝也將消除對銥的依賴，據(jù)目前的消息，一塊俄羅斯氧化鎵晶圓的成本預計在3000美元左右，明顯低于日本進口晶圓的每片6400美元，不過并未公布具體的晶圓尺寸，同時還指出，新工藝所有必要的研發(fā)工作已經(jīng)完成，面向全球市場的氧化鎵晶圓的全面生產(chǎn)預計不超過一年半的時間。
如今新的制備技術(shù)，如無銥法制備氧化鎵的工藝正在被開發(fā)和應用，這將有效降低氧化鎵的生產(chǎn)成本，推動產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，未來隨著技術(shù)的成熟，氧化鎵更加優(yōu)良的性能以及更加低廉的價格，將會讓其在市場中得到廣泛應用。
結(jié)語
氧化鎵在功率器件領域有著突出的特性優(yōu)勢，尤其是在大功率應用場景，氧化鎵被寄予厚望，滿足行業(yè)對功率器件耐高溫高壓、高頻率、低功耗等更高性能應用的需求，未來十年內(nèi)將會與碳化硅、氮化鎵進行競爭，包括航空航天、5G通訊、軌道交通、高端裝備、智能電網(wǎng)和新能源汽車等領域。
FLOSFIA預測，到2025年，氧化鎵功率器件市場規(guī)模將開始超過氮化鎵，2030年將達到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；富士經(jīng)濟也預測，到2030年，氧化鎵功率元件市場規(guī)模將達到1542億日元（約92.76億元人民幣），將超過氮化鎵功率元件的市場規(guī)模，這種趨勢反映了氧化鎵在功率電子設備中的重要性及其未來的潛力。
https://cn.nikkei.com/industry/scienceatechnology/53690-2023-10-09-10-18-33.html
https://mp.weixin.qq.com/s/mNAe2EtL5vFFxkNO56T22Q
?
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導體網(wǎng)）：多國宣布技術(shù)突破，第四代半導體，真的來了！