在寬禁帶半導(dǎo)體迅猛發(fā)展勢(shì)頭的影響下，超禁帶半導(dǎo)體也悄然入局。氧化鎵（Ga2O3）作為第四代半導(dǎo)體的代表，不僅在實(shí)驗(yàn)室中取得越來越多研發(fā)進(jìn)展，其量產(chǎn)、商業(yè)化腳步也在不斷推進(jìn)。日本分析機(jī)構(gòu)矢野研究所發(fā)布寬禁帶半導(dǎo)體全球市場(chǎng)研究結(jié)果，氧化鎵比碳化硅器件具有更高的成本和性能潛力，參與者的數(shù)量正在增加?；蛟S不久之后，氧化鎵就會(huì)加入與碳化硅和氮化鎵競(jìng)技的商業(yè)市場(chǎng)當(dāng)中。

高效節(jié)能 材料優(yōu)勢(shì)顯著

隨著科技的快速發(fā)展，半導(dǎo)體技術(shù)在各種電子設(shè)備中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。氧化鎵備受關(guān)注，被視為新一代寬禁帶半導(dǎo)體的候選者。資料顯示，相對(duì)于碳化硅，氧化鎵具備超寬禁帶寬度（4.2~4.9eV）、高相對(duì)介電系數(shù)、超高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)（8MV/cm）、較短的吸收截至邊界及超強(qiáng)的透明導(dǎo)電性等優(yōu)異的物理性能。此外，氧化鎵的化學(xué)和熱穩(wěn)定性也很好，能夠在惡劣環(huán)境或者高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定性。同時(shí)能以比碳化硅和氮化鎵更低的成本獲得大尺寸、高質(zhì)量、可摻雜的塊狀單晶。

具體而言，氧化鎵是一種多變的半導(dǎo)體材料，它有六種不同的晶相，其中最穩(wěn)定的是β相。β相氧化鎵可以通過熔融法生長(zhǎng)出大尺寸的單晶襯底，這對(duì)于制作高性能的功率器件是非常有利的。氧化鎵的高壓高功率特性是一大優(yōu)勢(shì)，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)是SiC的3倍，Si的26倍，這意味著它可以承受更高的電壓而不被擊穿。信息、能源、航空航天等領(lǐng)域，對(duì)于能夠承受高電壓的功率器件有著巨大的需求。氧化鎵還具有低損耗的優(yōu)勢(shì)，它的損耗是SiC的1/7，這意味著它可以節(jié)省更多的能源。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，氧化鎵SBD的損耗在同等電壓下，只有SiC的1/7，只有Si的1/49。作為一種高效節(jié)能的半導(dǎo)體材料，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

這些優(yōu)良的材料特性吸引了眾多學(xué)者和企業(yè)的目光，成為研究的熱點(diǎn)。中國(guó)科學(xué)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(jìng)爭(zhēng)力的電力電子器件，會(huì)直接與碳化硅器件競(jìng)爭(zhēng)。

商業(yè)化臨近 相關(guān)研發(fā)密集開展

正因?yàn)檠趸墐?yōu)越的材料性能，不僅使其成為目前半導(dǎo)體領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，相關(guān)業(yè)者也在不斷推進(jìn)其量產(chǎn)和商業(yè)化進(jìn)程。據(jù)報(bào)道，日本兩家領(lǐng)先的氧化鎵公司Novel Crystal和Flosfia自2012年開始投入氧化鎵的研發(fā)，成功突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括2英寸氧化鎵晶體與外延技術(shù)，以及氧化鎵材料的量產(chǎn)等。其中，Novel Crystal公司已實(shí)現(xiàn)2 英寸、4英寸的襯底及外延的批量化供應(yīng)，2022年7月宣布計(jì)劃 2025 年每年生產(chǎn)2萬片4英寸晶圓。Flosfia公司采用噴霧化學(xué)氣相沉積法已成功制備具有全球最小導(dǎo)通電阻的肖特基二極管，已在日本電裝上試用。

這些進(jìn)展顯示出我國(guó)在氧化鎵材料制備方面的實(shí)力正在逐步增強(qiáng)，同時(shí)也推動(dòng)了氧化鎵材料在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用研究。一些半導(dǎo)體公司、研究機(jī)構(gòu)和政府部門已經(jīng)開始在氧化鎵領(lǐng)域進(jìn)行合作和投資，以加速其商業(yè)化進(jìn)程。

目標(biāo)市場(chǎng)多元 2030年或超12億美元

根據(jù)富士經(jīng)濟(jì)對(duì)寬禁帶功率半導(dǎo)體元件的全球市場(chǎng)預(yù)測(cè)來看，2030年氧化鎵功率元件的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1542億日元（約合12.2億美元），這個(gè)市場(chǎng)規(guī)模比氮化鎵功率元件的規(guī)模（約合8.6億美元）還要大。可以看出，氧化鎵對(duì)市場(chǎng)需求產(chǎn)生的帶動(dòng)作用。

氮化鎵適用于1000V以下的中低壓的市場(chǎng)，碳化硅適用于650V以上的中高壓市場(chǎng)。氧化鎵作為一種新型超寬禁帶半導(dǎo)體材料，雖然還在研發(fā)過程中，但依其材料性能，非常適合開發(fā)小型化、高效的、耐熱性優(yōu)良的超大功率晶體管。目前業(yè)內(nèi)對(duì)于氧化鎵的普遍期待也是應(yīng)用在功率器件上，尤其是大功率應(yīng)用場(chǎng)景。

日本在氧化鎵研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面處于領(lǐng)先地位，Novel Crystal和Flosfia將“空調(diào)、冰箱和洗衣機(jī)”等對(duì)能效等級(jí)高度敏感，且市場(chǎng)門檻相對(duì)偏低的白色家電作為首先要滲透的應(yīng)用市場(chǎng)。Flosfia預(yù)計(jì)，2025年氧化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模將開始超過氮化鎵，2030年達(dá)到15.42億美元，達(dá)到碳化硅的40%，氮化鎵的1.56倍。

氧化鎵器件在光電子領(lǐng)域同樣具備優(yōu)勢(shì)。氧化鎵日盲紫外器件是一種利用氧化鎵材料的超寬禁帶特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)250-300 nm波段紫外光的高靈敏度探測(cè)的器件。由于氧化鎵材料對(duì)可見光和近紅外光幾乎不吸收，氧化鎵日盲紫外器件可以直接在陽光下工作，無需額外的光譜過濾光窗，從而降低了成本和復(fù)雜度，具有很高的響應(yīng)度和探測(cè)率，可以在極端環(huán)境下保持較高的探測(cè)性能等。因此，氧化鎵日盲紫外器件可以用于電網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、港口導(dǎo)航和海上搜救、環(huán)境與生化監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

此外，氧化鎵器件還可以作為高頻射頻器件、能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能、半導(dǎo)體激光器等領(lǐng)域使用，應(yīng)用于毫米波通信、射頻功率放大器、太陽能電池和其他能源轉(zhuǎn)換、激光雷達(dá)、光通信等，應(yīng)用前景十分廣闊。

下一步發(fā)力方向，降成本擴(kuò)應(yīng)用

雖然目前各大企業(yè)、高校和研究所都對(duì)氧化鎵的性能寄予厚望，但距離真正大規(guī)模應(yīng)用還需要解決很多關(guān)鍵的瓶頸問題。目前遇到的障礙主要有兩方面，一是大尺寸高質(zhì)量單晶的制作。二是氧化鎵材料大功率、高效率電子器件還處于實(shí)驗(yàn)室階段的研發(fā)。對(duì)此，有專家指出，大尺寸低缺陷氧化鎵單晶的制備方法以及高表面質(zhì)量氧化鎵晶片的超精密加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氧化鎵半導(dǎo)體器件工業(yè)應(yīng)用的主要瓶頸。雖然氧化鎵應(yīng)用前景已經(jīng)被多領(lǐng)域廣泛看好，但未來氧化鎵材料需要在高質(zhì)量、低缺陷、大尺寸單晶方面的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行突破，并在電子器件的商業(yè)化、大規(guī)模應(yīng)用上發(fā)力。

此外，導(dǎo)熱性能較差也是氧化鎵材料的短板。因此，許多單位開展將轉(zhuǎn)移晶圓級(jí)氧化鎵薄膜于高導(dǎo)熱襯底的研究，如轉(zhuǎn)移到高導(dǎo)熱率碳化硅和碳基襯底上異質(zhì)集成制備氧化鎵MOSFET器件，近日也出現(xiàn)了將氧化鎵與金剛石進(jìn)行鍵合的消息。美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)通過雙面銀燒結(jié)的封裝方式解決散熱問題，能夠?qū)ё咝ぬ鼗Y(jié)處產(chǎn)生的熱量，在結(jié)處的熱阻為0.5K/W，底處1.43，瞬態(tài)時(shí)可以通過高達(dá)70A的浪涌電流。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員閆建昌表示，散熱能力不足是氧化鎵的弊端，如何繞開這個(gè)弊端的話，去充分發(fā)揮它在功率器件的優(yōu)勢(shì)，是值得關(guān)注的發(fā)展方向。氧化鎵在器件和產(chǎn)業(yè)發(fā)展上還有很大的空間，發(fā)展的基礎(chǔ)取決于材料本身和材料制備水平，要實(shí)現(xiàn)更低的缺陷密度，把材料的優(yōu)勢(shì)和潛力充分發(fā)掘出來，這是未來超寬禁帶技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。

作為一種寬能隙半導(dǎo)體材料，氧化鎵潛在優(yōu)勢(shì)依然明顯，特別是在高功率、高溫和高頻應(yīng)用中。在未來10年，氧化鎵器件有可能成為直接與碳化硅競(jìng)爭(zhēng)的電力電子器件，關(guān)鍵的突破取決于成本的快速降低和大規(guī)模應(yīng)用的展開。

來源：愛集微