备受看好的氧化镓材料,是什么来头?

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本文来自半导体行业观察
 
日前,据日本媒体报道,日本经济产业省(METI)计划为致力于开发新一代低能耗半导体材料“氧化镓”的私营企业和大学提供财政支持。报道指出,METI将为明年留出大约2030万美元的资金去资助相关企业,预计未来5年的资助规模将超过8560万美元。
 
众所周知,经历了日美“广场协定”的日本 在半导体领域的优势已经完全转移到了材料和设备方面,如在硅片方面,日本的几家公司名列前茅,各种用在半导体芯片生产的气体和化合物方面,日本也不遑多让。在最近内国内媒体常提到的EUV光刻方面,虽然日本并没有提供相应光刻机,但他们几乎垄断了全球的EUV光刻胶供应,所以他们看好的半导体材料,是有一定的代表意义的。
 
在这里,我们来深入了解一下日本看好的这项半导体材料是什么。
 
什么是氧化镓?
 
资料显示,氧化镓(Ga2O3)是一种新兴的超宽带隙(UWBG)半导体,拥有4.8eV的超大带隙。作为对比,SiC和GaN的带隙为3.3eV,而硅则仅有1.1eV,那就让这种新材料拥有更高的热稳定性、更高的电压、再加上其能被广泛采用的天然衬底,让开发者可以轻易基于此开发出小型化,高效的大功率晶体管。这也是为什么在以SiC和GaN为代表的宽带隙(WBG)半导体器件方面取得了巨大进步的时候,Ga2O3仍然吸引了开发者的广泛兴趣。
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Si,SiC,GaN和Ga2O3对比
 
从器件的角度来看,Ga2O3的Baliga品质因子要比SiC高出二十倍。对于各种应用来说,陶瓷氧化物的带隙约为5eV,远远高于SiC和GaN的带隙,后两者都不到到3.5eV。因此,这种陶瓷氧化物器件可以承受比SiC或GaN器件更高的工作电压,导通电阻也更低。
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再从另一个角度看,易于制造的天然衬底,载流子浓度的控制以及固有的热稳定性也推动了Ga2O3器件的发展。相关论文表示,用Si或Sn对Ga2O3进行N型掺杂时,可以实现良好的可控性。尽管某些UWBG半导体(例如AlN,c-BN和金刚石)在BFOM图表中击败了Ga2O3,但它们的广泛使用受到了严格的限制。换而言之,AlN,c-BN和金刚石仍然缺乏高质量外延生长的合适衬底。
 
相关报道指出,Ga2O3具有五个不同的相态,其中,α相具有与Al2O3或蓝宝石相同的刚玉型晶体结构,这为研究者们在蓝宝石衬底上实现无应力Ga2O3层的沉积的提供了研发思路。
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相关统计数据显示,从数据上看,氧化镓的损耗理论上是硅的1/3,000、碳化硅的1/6、氮化镓的1/3。这就让产业界人士对其未来有很高的期待。而成本更是让其成为一个吸引产业关注的另一个重要因素。
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按步骤划分的Ga2O3衬底制造成本
 
据市场调查公司-富士经济于2019年6月5日公布的宽禁带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1,542亿日元(约人民币92.76亿元),这个市场规模要比氮化镓功率元件的1,085亿日元规模还要大。
 
行业的领先厂商
 
既然这个材料拥有这么领先的性能,自然在全球也有不少的公司投入其中。首先看日本方面,据半导体行业观察了解,京都大学投资的Flosfia、NICT和田村制作所投资的Novel Crystal是最领先的Ga2O3供应商。
 
相关资料显示,Flosfia成立于2011年3月,由京都大学研究人员Toshimi Hitora,Shizuo Fujita和Kentaro Kaneko共同创立,不同于世界其他地区对GaN或SiC外延生长的方法研究,Flosfia的研究人员开发了一种新型的制备方法,它是将氧化镓层沉积于蓝宝石衬底上来制备功率器件。这主要依赖于其一项名为“Mist Epitaxy”(喷雾干燥法)的化学气相沉积工艺。
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Mist Epitaxy简单介绍
 
我们知道,传统的化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition;CVD)是在真空状态下借反应气体间的化学反应产生所需要的薄膜,但大面积化有其困难,花费成本大也是问题点之一。但Flosfia所采用的Mist Epitaxy是将液体雾化之后再应用至成膜制程上。由于原料为液体,所以原料的选择性大幅提高,不需真空处理亦使得大面积化变得可行,这就有助于降低成本支出。
 
按照Flosfia官方所说,他们所产生的MISTDRY技术使他们能够基于氧化镓制造二极管和晶体管,而这些二极管和晶体管只需要比以前的体积少十分之一的电源。
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传统SBD同样Flosfia的SBD的对比
 
从官网可以看到,公司在2015年所首发的肖特基势垒二极管(SBD)已经送样,而其521V耐压器件的导通电阻仅为为0.1mΩcm²,855V耐压的SBD导通电阻也只是为0.4mΩcm²。由此足以见证到这些器件的优势。
 
因为材料属性的原因,有专家认为用氧化镓无法制造P型半导体。但京都大学的Shizuo Fujita与Flosfia合作在2018年成功开发出具有蓝宝石结构的Ga2O3绝缘效应晶体管(MOSFET),根据这项研究的结果,功率转换器的小型化可能会达到十分之几,并且降低成本的效果有望达到总功率转换器的50%。这就让这项技术和产品有望应用于需要安全性的各种电源中,并有望支持电动汽车和小型AC适配器的普及。
 
同样也是在2018年,电装与Flosfia决定共同开发面向车载应用的下一代Power半导体材料氧化镓(α-Ga2O3)。据电装表示,通过这两家公司对面向车载的氧化镓(α-Ga2O3)的联合开发,汽车电动化的主要单元PCU的技术革新指日可待。此技术将对电动汽车的更轻量化发展,燃料费用的节约改善起到积极作用,从而实现人、车、环境和谐共存。
 
从Flosfia的报道可以看到,他们也计划今年扩大规模,并实现量产。
 
Novel Crystal Technology(以下简称NCT)则成立于2015年,公司所采用的方案是基于HVPE生长的Ga2O3平面外延芯片,他们的目标是加快超低损耗,低成本β-Ga2O3功率器件的产品开发。开发出β-Ga2O3功率器件。
 
资料显示,NCT已经成功开发,制造和销售了直径最大为4英寸的氧化镓晶片。而在2017年11月,Nove Crystal Technology与Tamura Corporation合作成功开发了世界上第一个由氧化镓外延膜制成的沟槽MOS型功率晶体管,其功耗仅为传统硅MOSFET的1/1000。
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氧化镓沟槽MOS型功率晶体管的示意图
 
按照他们的规划,从2019财年下半年开始,NCT将开始提供击穿电压为650-V的β-Ga2O3沟槽型SBD的10-30 A样品。他们还打算从2021年开始推进大规模生产的准备工作。公司还致力于快速开发100A级别的β-Ga2O3功率器件。
 
自2012年以后,业界不断公布关于氧化稼功率元件的研发、试做成果。迄今为止,已经试做了横型MES FET、横型MOS FET、Normally Off的纵型MIS FET。在SBD的实验中,已经证明了氮化镓器件的导通电阻比碳化硅的SBD低得多!在初级试验阶段就可以证明其性能超过碳化硅功率元件。而现在参加研发的日本企业持续增加。
 
来到美国方面,在今年六月,美国纽约州立大学布法罗分校(the University at Buffalo)正在研发一款基于氧化镓的晶体管,据他们介绍,基于这种晶体管打造的器件能够处理8000V以上的电压,而且只有一张纸那么薄。可以帮助制造出更小、更高效的电子系统,用在电动汽车、机车和飞机等场景。
 
此外,美国佛罗里达大学、美国海军研究实验室和韩国大学的研究人员也在研究氧化镓MOSFET。佛罗里达大学材料科学与工程教授Stephen Pearton表示,它们看好氧化镓作为MOSFET的发展潜力。
 
中国在这个领域的现状
 
面对这项新技术,国内表现又是如何呢? 让我们从网上的材料一窥其蛛丝马迹。
 
据观察者网在2019年2月的报道,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,采用导模法成功制备出高质量的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。经测试,晶体具有很好的结晶质量,将为国内相关器件的研制提供有力支撑。
 
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。
 
据中国科学院上海微系统与信息技术研究所报道,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-Ga2O3单晶薄膜(<400 nm)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Ga2O3晶圆散热问题提供了最优解决方案,势必推动高性能Ga2O3器件研究的发展;其次,该研究将为我国Ga2O3基础研究和工程化提供优质的高导热衬底材料,推动Ga2O3在高功率器件领域的规模化应用。
 
而在今年六月,复旦大学方志来团队在p型氧化镓深紫外日盲探测器研究中取得重要进展。报道表示,方志来团队采用固-固相变原位掺杂技术,同时实现了高掺杂浓度、高晶体质量与能带工程,从而部分解决了氧化镓的p型掺杂困难问题。
 
结语
 
可以肯定的是,氧化镓是一个很好的材料,但从西安电子科技大学郝跃院士在《半导体学报》的报道看来,氧化镓氧的低热导率问题值得关注,而P型掺杂依然是一个巨大的挑战。其他挑战还包括研制出具有低缺陷密度高可靠的栅介质、更低阻值的欧姆接触、更有效的终端技术比如场版和金属环用来提高击穿电场、更低缺陷密度及更耐压的Ga2O3外延层以及更大更便宜的单晶衬底。
 
“在充分考虑并解决了不局限于上述问题,氧化镓功率器件的明天便会大放光彩,为高效能功率器件的选择提供新的方案。”郝跃院士在报道中强调。
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