中国粉体网讯 在过去的几年里，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体发展迅猛，凭借其大幅降低电力输送中能源消耗的显著优势，在功率器件和射频器件中大放异彩，目前均已实现商业化。然而，SiC和GaN并不是终点，氧化镓的出现带来了新风向，作为超宽禁带半导体，研究证明，以氧化镓材料制作的功率器件，相较于碳化硅和氮化镓所制成的产品，更加耐热且高效、成本更低、应用范围更广。
2022年8月，美国商务部产业安全局（BIS）对第四代半导体材料氧化镓和金刚石实施出口管制，认为氧化镓的耐高压特性在军事领域的应用对美国国家安全至关重要。此后，氧化镓在全球科研与产业界引起了更广泛的重视。
氧化镓的性能特点以及应用
氧化镓是一种新型宽禁带半导体材料，已知晶相共6种，包括α，β，γ等5种稳定相和1个瞬态相k-Ga2O3[1]。其中，β-Ga2O3（β相氧化镓）最为稳定，当加热至一定高温时，其他亚稳态均转换为β相，在熔点1800℃时必为β相。目前产业化以β相氧化镓为主，以下所涉及到的研究均为β-Ga2O3。
β-Ga2O3材料与其他常见半导体材料的基本物理性质
1.1 氧化镓的性能特点
氧化镓之所以能够赋予器件前所未有的性能，一大原因归结于它的禁带宽度。Ga2O3的禁带宽度约为4.9eV，高于SiC（3.3eV）和GaN（3.4eV）,相比之下氧化镓的禁带宽度占有绝对的优势。而且β-Ga2O3的生长速率快于SiC和GaN，衬底工艺也相对较简单。
除了材料性能优异如带隙比SiC和GaN大，利用Ga2O3作为半导体材料的主要原因是其生产成本较低。目前GaN基蓝光LEDs的衬底主要是蓝宝石(Al2O3)和SiC。蓝宝石虽透明，但为绝缘体；导电的SiC是不透明的,且价格又非常的高。而β-Ga2O3与GaN的匹配性很好，晶格失配率很低，价格相对便宜，更重要的是β-Ga2O3兼具蓝宝石(Al2O3)的透明性和SiC的导电性，有望取代蓝宝石(Al2O3)和SiC成为GaN的下一代的衬底材料。所以，β-Ga2O3半导体材料的应用潜力十分巨大[2]。
1.2 氧化镓的应用领域
Ga2O3材料的潜在应用方向很多，包括光电探测、功率器件、射频器件、气敏传感、光催化、信息存储和太阳能利用等。目前，Ga2O3商业化趋势明朗的应用领域主要有2个方面。
1.2.1 日盲紫外光电探测器件
日盲紫外光电探测器作为光谱探测不可或缺的部分，在导弹跟踪、火灾预警和深空探测等诸多关键应用场景中发挥着重要作用。在这些独特的应用场景中，日盲紫外光电探测器将不可避免地面对极端恶劣的环境（如高温、高电场、高辐射）。然而，传统的硅基日盲紫外探测器对紫外光灵敏度低、热稳定性差，难以满足苛刻环境下高灵敏探测的需求。Ga2O3材料带隙为4.9eV，对应的吸收波长约为250nm (日盲紫外200-280nm)的深紫外光，刚好为日盲紫外波段，是日盲紫外探测较为理想的候选材料。
1.2.2 功率电子器件
功率器件对材料的耐击穿场强要求较高，具有较大击穿电场强度的材料，所具备的功率器件性能会越好。Ga2O3材料的带隙较宽，具有较大的击穿场强。根据理论分析，Ga2O3材料的击穿场强可以达到8MV/cm，是Si材料的20倍以上，比目前第3代半导体中的SiC和GaN材料高出一倍以上。Ga2O3材料除了具有高的击穿场强外，制备成器件后能耗也大大降低，是Si、GaN和SiC不能比的。由于Ga2O3材料具有高耐压、低功耗的优势，未来在高温、高频、大功率电力电子器件制备中具有广阔的应用价值。
氧化镓研发及产业化进展
2.1国外进展
日本企业 Novell Crystal Technology （简称“NCT”）作为Ga2O3晶体研发领域的领导者，是最早能够量产氧化镓基础材料（单晶和外延）及器件的企业。目前，Novell Crystal Technology 与佐贺大学合作攻克了其第二代氧化镓4英寸外延片中由外延式沉积成膜过程中产生的一种特定粉末所造成的缺陷过多问题。通过改善成膜条件之后，成功制造出了第三代氧化镓4英寸外延片[3]。
日本田村制作所( Tamura) 在单晶生长方面处于领先地位，已经实现了2英寸晶圆的产业化，并生长获得了6英寸晶体。其与NCT合作成功开发了世界上第1个由Ga2O3外延膜制成的沟槽型MOS功率晶体管，其功耗仅为传统硅MOSFET的 1/1000[4-5]。
2015年，日本信息与通信技术研究所（NICT）通过HVPE的方法，成功生长了 7 μm的低掺杂外延层（掺杂浓度为 1×1016 cm-3），并基于该材料制备了二极管，通过变温 C-V、I-V 特性研究，发现器件正向导通电流符合热电子发射机制，反向漏电流传输符合热场发射机制[6]。
美国空军研究室（AFR L）在2012年注意到了NICT的成功，研究员Gregg Jessen领导的团队探索了Ga2O3材料的特性，结果显示，Ga2O3材料的速度和高临界场强在快速功率开关和射频功率应用中具有颠覆性的潜力。在这个成果的激励下，Jessen建立了美国的Ga2O3研究基础，获得了首批样品。AFRL目前致力于将电子束曝光技术引入到Ga2O3器件的制程工艺中，并将晶体管的尺寸降到微米级以下，这样将可使器件具备非常高的速度和击穿电压，成为快速开关应用的有力竞争产品[7]。
2.2国内进展
我国的氧化镓衬底能够小批量供应，外延、器件环节产业化进程几乎空白，研发主力军和突出成果都在高校和科研院所当中。从公开资料显示，目前从事Ga2O3材料和器件研究的单位和企业，主要包括中电科46所、西安电子科技大学、北京邮电大学、中科院上海光机所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、复旦大学、南京大学、山东大学、中国科技大学、厦门大学、郑州大学等高校及科研院所。科技成果转化的公司有北京镓族科技有限公司、杭州富加镓业科技有限公司等。
中国科学院上海光学精密机械研究所的张俊刚等[8]利用FZ法制备了不同Sn掺杂浓度的 β-Ga2O3晶体，当时的氧化镓只是被视为透明导电氧化物或外延生长其他材料的衬底。
中国电子科技集团公司第四十六研究所的张胜男、练小正等[9-10]在多年的晶体生长基础上，通过改进热场结构、优化生长气氛和晶体生长工艺，有效抑制了晶体生长过程中的原料分解、多晶形成、晶体开裂等问题，采用导模法成功制备出了高质量4英寸β-Ga2O3单晶。
在器件方面，中国电子科技集团公司第十三研究所在国内处于领先水平，该单位的研究人员创新性采用栅下热氧化技术，实现增强型Ga2O3 MOSFET器件，阈值电压达到 4.1V，开关比达到108。提出的双层源场板结构可以有效抑制Ga2O3沟道和氮化硅（SiN）钝化层中的尖峰电场强度，器件击穿电压超过 3000V。
氧化镓未来发展趋势
氧化镓作为新型超宽禁带半导体材料，具有物理性能优异、成本低、质量高等优势，在半导体领域获得了广泛关注。相比于目前常见的宽禁带半导体 SiC和GaN，Ga2O3的Baliga品质因数更大、预期生长成本更低，在高压、大功率、高效率、小体积电子器件方面更具潜力。根据日本氧化镓行业龙头NCT预测氧化镓晶圆粉市场到2030年度将扩大到约590亿日元（约合4.7亿美元）规模。
据日本市场调查公司富士经济预测，氧化镓功率元件的市场到2030年度将会达到1542亿日元(约合12.2亿美元)规模。值得注意的是这个市场规模要比目前氮化镓功率元件的规模(约合8.6亿美元)还要大。
总的来说，在未来10年，氧化镓器件将有可能成为直接与碳化硅竞争的电力电子器件，但作为半导体新材料，氧化镓市场规模的突破取决于成本的快速降低。
参考来源：
[1] 陶绪堂,穆文祥,贾志泰. 宽禁带半导体氧化镓晶体和器件研究进展[J]. 中国材料进展,2020,39(02):113-123.
[2] 张宏哲,王林军,夏长泰,赛青林,肖海林. 宽禁带半导体β-Ga2O3单晶的研究进展[J]. 人工晶体学报,2015,44(11):2943-2953.
[3] 许子皓. 氧化镓：宽禁带半导体新势力[N]. 中国电子报,2022-04-22(008).
[4] MASTRO M. A，KURAMATA A，CALKINS J, e al. ECS Journal ofSolid State Science and Technology 0] , 2017, 6( 5) : 356-359.
[5] 李龙,宫学源,李培刚. 超宽禁带半导体氧化镓材料的产业进展及未来展望[J]. 新材料产业,2021,(05):14-19.
[6] HIGASHIWAKI M，KONISHI K，SASAKI K, et al.Temperature-dependent capacitance-voltage and current-voltage characteristics of Pt/GaO; (001) Schottky barrierdiodes fabricated on n-Ga,O; drift layers grown by halidevapor phase epitaxy[J]. Applied Physics Letters, 2016,10813): 133503
[7] 李龙,宫学源,李培刚. 超宽禁带半导体氧化镓材料的产业进展及未来展望[J]. 新材料产业,2021,(05):14-19.
[8] ZHANC JC. XIA C T, DENC O, e al. Crowth and characlerization of new transparent conductive oxides single crystals B-Ca, 0,: 5n J
Journal of Physics and Chemistry of Solids . 2006 . 67( 8) : 1656-1659.
[9] ZHANC S N, LIAN X Z, MA Y C, et al. Crowth and characlerization of 2-inch high quality B-Ga,0; single crystals grown by
Journal of Semiconductors , 2018 , 39( 8) : 083003.
[10] 练小正,张胜男,程红娟,齐海涛,金雷,徐永宽. 导模法生长大尺寸高质量β-Ga2O3单晶[J]. 半导体技术,2018,43(08):622-626.
（中国粉体网编辑整理/空青）
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