志在替代第三代半导体材料，氧化镓目前有没有这个实力？
2021-04-10
韩国政府在近日宣称将加大非硅功率半导体在本土的发展，用于电动汽车和其他对功效和耐用性要求较高的技术。该计划将支持5种以上的半导体在2025年实现本土商业化，这其中不仅有碳化硅、氮化镓，也有很少被提及的氧化镓(Ga2O3)。
与常规半导体相比，功率半导体可以承受更大的电压和电流。目前氮化镓已经在雷达和5G等射频功率应用上实现了规模商用，氮化镓的快充充电器也已随处可见，未来电动汽车中的逆变器等器件也将采用这一新材料。而碳化硅虽然同样发展迅速，但因为成本问题，目前普及率并没有前者高。那么被誉为“第四代半导体材料”之一的氧化镓究竟有何优势，市场机会有多大，目前的发展处境又如何呢？
宽带隙材料的优势
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。
有限的市场参与者
在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。
2019年的国际电子器件大会上，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的欧欣课题组和西安电子科技大学的郝跃课题组展示了晶圆β-Ga2O3单晶薄膜（< 400 nm）与高导热的Si和4H-SiC衬底异构集成，并制备出高性能的MOSFET器件。借助高K值的碳化硅衬底，该器件实现了优秀的热稳定性，在500K的温度下依然可以做到600V以上的击穿电压。
除了研究机构和大学外，国内同样有一家专研氧化镓材料的高科技公司，镓族科技。镓族科技同样是研究和生产氧化镓的单晶和外延衬底，并由此开发出了氧化镓基日盲紫外探测器分立器件和阵列成像器件。氧化镓的功率器件同样是镓族科技的研发发现，目前镓族已经与合作单位一起实现1000V耐压的肖特基二极管模型制作，并已经实现5000V耐压的MOSFET模型制作。
小结
从目前的发展情况来看，氧化镓尚处于一个早期阶段，还不具备与氮化镓和碳化硅抗衡的实力，而且自身还有导热性和结构上的挑战。但从长远来看，氧化镓的性能潜力远大于目前的技术障碍。日韩两个半导体大国都已经开始了下一代半导体材料的布局，足见氧化镓未来的市场有多大。
况且氮化镓在目前的半导体市场中不一定充当竞争者的身份，我们从现有研究进度中也看到了氧化镓与碳化硅结合的情况，氧化镓也不可能在每个射频或功率场景中替代氮化镓和碳化硅。