智芯研报 | 氧化镓——新一代半导体材料

根据《日本经济新闻》6月16日报导，日本新创公司 Novel Crystal Technology, Inc. 在同 (16) 日宣布，该公司领先全球、成功完成了新一代半导体材料「氧化镓」(Ga2O3) 的 4 吋 (100mm) 晶圆量产。

氧化镓的别名是三氧化二镓，氧化镓（Ga2O3）是一种宽禁带半导体，Eg=4.9eV，其导电性能和发光特性长期以来一直引起人们的注意。

图：β相氧化镓晶体结构

Ga2O3是一种透明的氧化物半导体材料，在光电子器件方面有广阔的应用前景 ，被用作于Ga基半导体材料的绝缘层，以及紫外线滤光片。它还可以用作O2化学探测器。

氧化镓在半导体领域的应用并不是一项崭新的技术，在很多年前就有人对其展开了大量的研究，但这种材料原本不是用于功率元件的，最初是计划用于LED（发光二极管）基板等而进行研发的。

氧化镓的性能优势  

氧化镓其实并不是什么新型材料，反而有了近70年的历史，1952年就已经有科学家发现了它的五种变体。但由于该材料被大多数半导体研究者和工程师忽略，其发展才落后于氮化镓和碳化硅等材料。直到近年以来，半导体产业才开始察觉到氧化镓在光电器件应用上的优秀特性，而日本正是该材料的主要研究地区。

砷化镓、氮化镓、氧化镓、硅、碳化硅特性比较 / IEEE

氮化镓之所以能够赋予器件前所未有的性能，一大原因要归结于它的禁带宽度。

宽禁带使得材料可以承受更高的电场强度，硅的禁带宽度低至1.1eV，而碳化硅的禁带宽度为3.3eV，氮化镓的禁带宽度也只有3.4eV，相较之下近似5eV的氧化镓占了很大的优势。从上图IEEE测试数据中也可以看出，氧化镓在临界电场强度和禁带宽度占有绝对优势。

氧化镓分为α、β、γ、δ和ε五种结晶形态，其中最为稳定的是β-氧化镓，其次是ε和α，目前大部分研究和开发也是针对禁带宽度在4.7eV和4.9eV之间的β-氧化镓进行。

2012年，日本NICT开发出了首个单晶β-氧化镓晶体管，其击穿电压就已经达到了250V以上，要知道氮化镓可是经过了近20年的发展才跨过这个里程碑。而且β-氧化镓的生长速率快于碳化硅和氮化镓，衬底工艺也相对较简单。

但对合适的半导体材料来说，仅有宽禁带是远远不够的，氧化镓同样拥有自己的局限性，比方说它的导热能力差，甚至低于砷化镓。与导热性能强的碳化硅相比，氧化镓的导热性只有前者的十分之一。

这意味着晶体管中产生的热量难以发散，很有可能限制设备的寿命。其次，氧化镓制造p型半导体的难度较高，这两点也成了氧化镓商用普及的限制条件，需要业内投入更多精力和人才来解决。

除了材料性能优异如带隙比碳化硅和氮化镓大，利用 Ga 2 O 3 作为半导体材料的主要原因是其生产成本较低。

随着氧化镓晶体生长技术的突破性进展，氧化稼和蓝宝石一样，可以从溶液状态转化成块状（Bulk）单结晶状态。

可以通过运用与蓝宝石晶圆生产技术相同的EFG（Edge-defined Film-fed Growth）方法，做出氧化镓晶圆，成熟的生产工艺会大幅度降低生产成本。

因为拥有如此多的优势，氧化镓被看作一个比氮化镓拥有更广阔前景的技术。

氧化镓半导体的产业现状

据市场调查公司——富士经济于2019年6月5日公布的Wide Gap 功率半导体元件的全球市场预测来看，2030年氧化镓功率元件的市场规模将会达到1542亿日元（约人民币92.76亿元），这个市场规模要比氮化镓功率元件的规模（1085亿日元，约人民币65.1亿元）还要大！

在SiC方面或GaN方面，从产业链分工的角度来看，目前Cree、Rohm、ST都已形成了SiC衬底→外延→器件→模块垂直供应的体系。而Infineon、Bosch、OnSemi等厂商则购买衬底，随后自行进行外延生长并制作器件及模块。

而在氧化镓方面，日本在衬底-外延-器件等方面的研发全球领先。不过研究氧化镓功率元件并进行开发的并不是上述范畴的大中型功率半导体企业，而是初创企业。

我国其实开展氧化镓研究已经十余年，但是直到近年来46所的技术突破实现了距离产业化”一步之遥“，从公开资料能了解到目前从事GaO材料和器件研究的单位和企业，主要是中电科46所、西安电子科技大学、上海光机所、上海微系统所、复旦大学、南京大学等高校及科研院所，和科技成果转化的公司北京镓族科技、杭州富加镓业。

图：在电流和电压需求方面Si，SiC，GaN和GaO功率电子器件的应用

▌ 日本FLOSFIA

氧化镓的开发进展比较大的玩家之一为日本的FLOSFIA，该公司已经成立十年，最初由京都大学的一个研究项目衍生出来。FLOSFIA的主要业务是充分利用氧化镓的物理特性，以自研的MISTDRY技术开发出低损耗的功率器件。FLOSFIA也在今年3月底的E轮投资中获得了由三菱重工领投的10亿日元投资。

氧化镓SBD / FLOSFIA

目前FLOSFIA已经成功开发出了超低导通电阻的肖特基二极管，其导通电阻低至0.1mΩcm2，这也是全球首个采用刚玉结构的氧化镓功率器件。

FLOSFIA提到在该氧化镓功率器件中，他们采用了LED中已经商用化的蓝宝石衬底。该器件不仅以超低导通电阻实现了低损耗，而且具备良好的高频特性，非常适合高速开关应用。

FLOSFIA也在和股东之一的电装开发下一代氧化镓汽车功率半导体。

值得一提的是，FLOSFIA采用的是α-氮化镓，虽然β-氧化镓更为稳定，但α-氮化镓拥有更好的禁带宽度，达到5.1eV到5.3eV。在判断低频功率半导体损耗的BFOM指数上，α-氮化镓可以做到碳化硅的近20倍。

下一代功率器件及相关设备的市场趋势 / Fuji Economy

考虑到技术尚没有完全成熟，FLOSFIA的短期市场定位仍在家庭电力调节、电源适配器、UPS等中压应用上，未来再推进到基站等高频通信设备、电动汽车逆变器和工业电机等领域。而且以目前的功率器件市场分析数据来看，氧化镓只有在2025年才会崭露头角，到2030年实现一定的普及。

▌ 美国空军研究室（AFRL）

美国空军研究室在2012年注意到了NICT的成功，研究员Gregg Jessen领导的团队探索了GaO材料的特性，结果显示，氧化镓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建立了美国的氧化镓研究基础，获得了首批样品。

图：AFRL制作的2英寸带有GaN外延层的Synoptics 氧化镓晶体管（Compound Semiconductor）

AFRL目前致力于在短期内突破电子束光刻技术引入到制程工艺中，并将晶体管的尺寸降到um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。

AFRL正在试图突破氧化镓外延技术，并且资助了诺格公司的子公司Synoptics开发氧化镓的衬底生长技术，当各个环节具备之后，美国将是第二个彻底实现全产业链国产化的国家。

▌ 中国电科46所

据报道中国电科46所经过多年氧化镓晶体生长技术探索，通过改进热场结构、优化生长气氛和晶体生长工艺，有效解决了晶体生长过程中原料分解、多晶形成、晶体开裂等问题，采用导模法成功在2016年制备出国内第一片高质量的2英寸氧化镓单晶，在2018年底制备出国内第一片高质量的4英寸氧化镓单晶。

报道指出，中国电科46所制备的氧化镓单晶的宽度接近100mm，总长度达到250mm，可加工出4英寸晶圆、3英寸晶圆和2英寸晶圆。这也是目前为止国内唯一能够达到该尺寸的记录保持者。

▌ 中国西电大学/微系统所

据中国科学院上海微系统与信息技术研究所报道，在2019年12月，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员欧欣课题组和西安电子科技大学郝跃课题组教授韩根全携手，在氧化镓功率器件领域取得了新进展。

欧欣课题组和韩根全课题组利用“万能离子刀”智能剥离与转移技术，首次将晶圆级β相GaO单晶薄膜（400nm）与高导热的Si和4H-SiC衬底晶圆级集成，并制备出高性能器件。

报道指出，该工作在超宽禁带材料与功率器件领域具有里程碑式的重要意义。首先，异质集成为GaO晶圆散热问题提供了最优解决方案，势必推动高性能GaO器件研究的发展；其次，该研究将为我国GaO基础研究和工程化提供优质的高导热衬底材料，推动GaO在高功率器件领域的规模化应用。

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