技術(shù)日新月異, 第三代寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)及制造工藝發(fā)展還沒(méi)有多少年, 源起于日本的氧化鎵被譽(yù)為第四代半導(dǎo)體技術(shù)已開(kāi)始國(guó)內(nèi)市場(chǎng)發(fā)育.
與SiC和GaN相比，β-Ga2O3有望以低成本制造出高耐壓且低損失的功率半導(dǎo)體元件，因而引起了極大關(guān)注。契機(jī)源于日本信息通信研究機(jī)構(gòu)等的研究小組開(kāi)發(fā)出的β-Ga2O3晶體管。
氧化鎵的別名是三氧化二鎵，氧化鎵（Ga2O3）是一種寬禁帶半導(dǎo)體，也是一種透明的氧化物半導(dǎo)體材料，在光電子器件方面有廣闊的應(yīng)用前景 ，被用作于鎵基半導(dǎo)體材料的絕緣層，以及紫外線濾光片。
據(jù)市場(chǎng)調(diào)查公司富士經(jīng)濟(jì)于2019年6月5日公布的Wide Gap 功率半導(dǎo)體元件的全球市場(chǎng)預(yù)測(cè)來(lái)看，2030年氧化鎵功率元件的市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)達(dá)到1542億日元（約人民幣92.76億元），這個(gè)市場(chǎng)規(guī)模要比氮化鎵功率元件的規(guī)模（1085億日元，約人民幣65.1億元）還要大。
Novel Crystal Technology這次量產(chǎn)的新一代晶圓可以使用原有100mm晶圓的設(shè)備制造新一代產(chǎn)品，有效保護(hù)了企業(yè)的投資，預(yù)計(jì)2021年內(nèi)開(kāi)始供應(yīng)晶圓。資料顯示，Novel Crystal Technology公司由日本電子零部件企業(yè)田村制作所和AGC等出資成立，主要研發(fā)、生產(chǎn)新一代半導(dǎo)體技術(shù)。
中文名稱: 氧化鎵 99.99%-99.999% 100目、200目
中文別名:三氧化二鎵 分子式:Ga2O3 密度:5.88
水溶性:Insoluble in water 外觀白色 無(wú)臭粉末
用途:用作半導(dǎo)體材料,光譜分析中用于測(cè)定鈾中雜質(zhì)
在IEEE SPECTRUM中文版《科技縱覽》2002年5月刊中，已故的萊斯特?F.伊斯曼（Lester F. East-man）和烏梅什?K. 米什拉（Umesh K.Mishra）談到了當(dāng)時(shí)功率半導(dǎo)體界的一項(xiàng)大膽技術(shù)：氮化鎵（GaN）。對(duì)于強(qiáng)大耐用的射頻放大器在當(dāng)時(shí)新興的寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)以及電網(wǎng)功率切換應(yīng)用中的使用前景，他們表達(dá)了樂(lè)觀的看法。他們稱氮化鎵器件為“迄今為止最堅(jiān)固耐用的晶體管”。
伊斯曼和米什拉是對(duì)的。氮化鎵的寬帶隙（使束縛電子自由斷裂并有助于傳導(dǎo)的能量）和其他性質(zhì)讓我們能夠利用這種材料承受高電場(chǎng)的能力，制造性能空前的器件。
如今，氮化鎵是固態(tài)射頻功率應(yīng)用領(lǐng)域無(wú)可爭(zhēng)議的冠軍。它已經(jīng)在雷達(dá)和5G無(wú)線技術(shù)中得到了應(yīng)用，很快將在電動(dòng)汽車(chē)的逆變器中普及。你甚至可以買(mǎi)到基于氮化鎵的USB壁式充電器，它們體積小且功率非常高。
不過(guò)，還有比它更好的東西嗎？有能讓射頻放大器變得更強(qiáng)大更高效的裝置嗎？有能讓電力電子設(shè)備體積變得更小，讓飛機(jī)和汽車(chē)上使用的電子設(shè)備更輕、更小的裝置嗎？我們能找到帶隙更大的導(dǎo)電材料嗎？
是的，我們可以。事實(shí)上，許多材料都有更大的帶隙，但量子力學(xué)的獨(dú)特性意味著，幾乎所有這些材料都不能用作半導(dǎo)體。不過(guò)，透明導(dǎo)電氧化物氧化鎵（Ga2O3）是一個(gè)特例。這種晶體的帶隙近5電子伏特，如果說(shuō)氮化鎵（3.4eV）與它的差距為1英里，那么硅（1.1eV）與它的差距則好比一個(gè)馬拉松。金剛石和氮化鋁的帶隙更大，但它們不具備氧化鎵所具備的幸運(yùn)特性，氧化鎵有助于制造價(jià)格低廉但功能強(qiáng)大的器件。
擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度大 帶隙越大，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度就越大。β-Ga2O3的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度為推測(cè)值。
一種材料僅僅有寬帶隙是不夠的。所有的電介質(zhì)和陶瓷都有寬帶隙，否則它們就不會(huì)被用作絕緣體了，而氧化鎵有一組獨(dú)特的特性，它可以作為功率切換和射頻電子器件的半導(dǎo)體從而發(fā)揮巨大作用。
它的特點(diǎn)之一是，通過(guò)摻雜的方法，可以在氧化鎵中加入電荷載流子，使其更具導(dǎo)電性。摻雜包括向晶體添加一定量的雜質(zhì)，以控制半導(dǎo)體中載流子的濃度。對(duì)于硅，可以使用離子注入法，然后退火處理，在晶體中摻雜磷（以添加自由電子）或硼（以減去自由電子），從而使電荷能夠自由移動(dòng)。對(duì)于氧化鎵，可以用同樣的方法在晶體中摻雜硅來(lái)添加電子。如果在任何其他寬帶隙氧化物中這樣做，結(jié)果可能是破碎的晶體和晶格斑點(diǎn)，這樣的話電荷會(huì)被卡住。
氧化鎵能夠適應(yīng)通過(guò)“離子注入”標(biāo)準(zhǔn)工藝添加以及外延生長(zhǎng)（沉積額外的晶體）過(guò)程中添加的摻雜劑，因此我們能夠借用各種各樣的既有商業(yè)光刻和加工技術(shù)。借助這些方法，精確定義幾十納米的晶體管尺寸和產(chǎn)生各種各樣的器件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得相對(duì)簡(jiǎn)單。其他寬帶隙的半導(dǎo)體材料不具備這種難以置信的有用特性，甚至氮化鎵也不例外。
這與其他寬帶隙半導(dǎo)體的區(qū)別，怎么夸張都不過(guò)分。除碳化硅（SiC）以外，其他所有新興寬帶隙半導(dǎo)體根本沒(méi)有大尺寸半導(dǎo)體基底可供生長(zhǎng)大晶體。這意味著它們必須生長(zhǎng)在另一種材料盤(pán)中，而這是有代價(jià)的。例如，氮化鎵通常依靠復(fù)雜的工藝在硅、碳化硅或藍(lán)寶石基底上生長(zhǎng)。不過(guò)，這些基底的晶體結(jié)構(gòu)明顯不同于氮化鎵的晶體結(jié)構(gòu)，這種差異會(huì)造成基底和氮化鎵之間的“晶格失配”，從而產(chǎn)生大量缺陷。這些缺陷會(huì)給生產(chǎn)的設(shè)備帶來(lái)一系列問(wèn)題。氧化鎵由于作為自己的基底，所以不存在不匹配的情況，也就沒(méi)有缺陷。
那么，氧化鎵有什么缺點(diǎn)？這種材料的致命弱點(diǎn)在于它的導(dǎo)熱性不佳。事實(shí)上，在所有可用于射頻放大或功率切換的半導(dǎo)體中，它的導(dǎo)熱性最差。氧化鎵的熱導(dǎo)率只有金剛石的1/60，碳化硅（高性能射頻氮化鎵的基底）的1/10，約為硅的1/5。（有趣的是，它可以媲美主要射頻材料砷化鎵。）低熱導(dǎo)率意味著晶體管中產(chǎn)生的熱量可能會(huì)停留，有可能極大地限制器件的壽命。
不過(guò)，在放棄它之前，需要考慮以下問(wèn)題：由于材料會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生影響，因此要得到有關(guān)其熱導(dǎo)率的真實(shí)同類比較結(jié)果，我們需要將它標(biāo)準(zhǔn)化為材料處理功率的能力。換言之，要除以Ec才能準(zhǔn)確比較實(shí)際器件中的預(yù)期熱問(wèn)題。由此我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，每種帶隙比硅大的半導(dǎo)體（甚至是金剛石）在充分發(fā)揮其潛能時(shí)，都有散熱問(wèn)題。雖然這一事實(shí)對(duì)氧化鎵而言于事無(wú)補(bǔ)，但它能推動(dòng)我們努力尋找更好的散熱方法。
美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)，在某些器件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，幾乎所有的熱量都是在材料頂部1微米處產(chǎn)生的，因此他們模擬了接觸電極和使用介質(zhì)填料將熱量分流到散熱器的效果，并取得了較好的結(jié)果。這也是目前商用砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極晶體管中使用的辦法。因此，盡管氧化鎵存在熱量方面的挑戰(zhàn)，但聰明的工程設(shè)計(jì)能夠克服該問(wèn)題。
采用了鉆石基材散熱的GaN內(nèi)部工藝剖析
另一個(gè)更基本的問(wèn)題是，我們只能讓氧化鎵傳導(dǎo)電子而不能實(shí)現(xiàn)空穴導(dǎo)電。從來(lái)沒(méi)有人能用氧化鎵制造良好的p 型導(dǎo)體。此外，令人沮喪的是，這種材料的基本電子特性使其在這方面希望渺茫。特別是，這種材料的能帶結(jié)構(gòu)的價(jià)帶部分不具有空穴傳導(dǎo)的形狀。因此，即使有一種摻雜劑能使受體處于正確能級(jí)，所產(chǎn)生的空穴也會(huì)在它幫助傳導(dǎo)之前困住自己。理論和數(shù)據(jù)如此一致時(shí)，很難找到辦法解決這個(gè)問(wèn)題。
當(dāng)然，在發(fā)展的道路上我們會(huì)打破一些東西（主要是電介質(zhì)），但這就是顛覆性技術(shù)的定義。我們用已知的東西來(lái)?yè)Q取潛在的性能，而目前，氧化鎵的性能潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其問(wèn)題。
結(jié)語(yǔ): 半導(dǎo)體材料位于產(chǎn)業(yè)鏈的上游，國(guó)內(nèi)根據(jù)材料劃分為[敏感詞]代的硅，第二代的砷化鎵和磷化銦，第三代的碳化硅和氮化鎵。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，氧化鎵將有望成為新一代半導(dǎo)體材料的代表。和前幾代材料相比，氧化鎵具有更優(yōu)良的化學(xué)和熱穩(wěn)定性、更低的成本價(jià)格、更高質(zhì)量合成和更短的產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)，在大功率、抗輻射電子器件領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景, 在功率器件上，氧化鎵比碳化硅等材料更耐壓、成本更低，效率更高。
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