時(shí)至今日，以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體材料得到了極大地關(guān)注，它們?cè)谳^大功率、高溫、高壓應(yīng)用領(lǐng)域所發(fā)揮的作用也不是傳統(tǒng)的硅器件所能比較的。尤其是伴隨著新能源、5G等新興高科技領(lǐng)域?qū)Ω咝阅馨雽?dǎo)體材料的要求日益嚴(yán)格，第三代半導(dǎo)體材料注定會(huì)進(jìn)一步大放異彩。
除了碳化硅和氮化鎵，近年來，氧化鎵(Ga2O3)也再一次走入了人們的視野，并憑借比SiC和GaN更寬的禁帶，又成為了眾多研究者的研究重點(diǎn)。
氧化鎵為什么至今才被重視
氧化鎵走入大家的視野，為什么要強(qiáng)調(diào)“再一次”呢？
實(shí)際上，氧化鎵在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用并不是一項(xiàng)嶄新的技術(shù)，在很多年前就有人對(duì)其展開了大量的研究，但這種材料原本不是用于功率元件的，最初是計(jì)劃用于LED（發(fā)光二極管）基板等而進(jìn)行研發(fā)的。
但是這些用途的研發(fā)與應(yīng)用規(guī)模較小，它的一些“特異功能”似乎有些超前，并無用武之地，再加上它的技術(shù)難度高以及散熱方面問題突出，在當(dāng)時(shí)看來顯然不如開發(fā)碳化硅、氮化鎵等更具有性價(jià)比。
俗話說，三十年河?xùn)|三十年河西。而隨著應(yīng)用需求的發(fā)展愈加明朗，未來對(duì)高功率器件的性能要求越來越高，尤其是對(duì)超寬禁帶半導(dǎo)體材料的迫切需求，這使得人們更深切地看到了氧化鎵的優(yōu)勢(shì)和前景，相應(yīng)的研發(fā)工作又多了起來，已成為美國、日本、德國等國家的研究熱點(diǎn)和競(jìng)爭(zhēng)重點(diǎn)。
氧化鎵的性能優(yōu)勢(shì)
Ga2O3是金屬鎵的氧化物，同時(shí)也是一種半導(dǎo)體化合物。其結(jié)晶形態(tài)截至目前已確認(rèn)有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。與Ga2O3的結(jié)晶生長(zhǎng)及物性相關(guān)的研究大部分圍繞β結(jié)構(gòu)展開。研究人員曾試制了金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，盡管屬于未形成保護(hù)膜鈍化膜的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，但是樣品已經(jīng)顯示出耐壓高、泄漏電流小的特性。在使用碳化硅和氮化鎵制造相同結(jié)構(gòu)的元件時(shí)，通常難以達(dá)到這些樣品的指標(biāo)。
表1：幾種半導(dǎo)體材料性能比較
比較了一下“定量評(píng)價(jià)功率元件理論性能的指數(shù)（性能指數(shù)）”，氧化鎵是硅的3000倍，是碳化硅的6倍，是氮化鎵的3倍。
具體來看，β-Ga2O3的帶隙很大，達(dá)到4.8eV，這一數(shù)值為Si的4倍多，而且也超過了SiC的3.3eV及GaN的3.4eV。一般情況下，帶隙大的話，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)很大。β-Ga2O3的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度估計(jì)為8MV/cm左右，達(dá)到Si的20多倍，相當(dāng)于SiC及GaN的2倍以上。
氧化鎵半導(dǎo)體的價(jià)格優(yōu)勢(shì)
除了材料性能優(yōu)異如帶隙比碳化硅和氮化鎵大，利用Ga2O3作為半導(dǎo)體材料的主要原因是其生產(chǎn)成本較低。
功率元件與一般的半導(dǎo)體元件相比，晶圓占據(jù)了元件的較大一部分生產(chǎn)成本。晶圓成本（每單位面積）最低的是硅，每平方厘米的晶圓成本不足100日元（約人民幣6元）。
而碳化硅晶圓的成本（每平方厘米）為1500多日元（約人民幣90元），據(jù)說氮化鎵的成本會(huì)超過4萬日元（約人民幣2400元）。分別是硅的15倍、400倍。
隨著氧化鎵晶體生長(zhǎng)技術(shù)的突破性進(jìn)展，氧化稼和藍(lán)寶石一樣，可以從溶液狀態(tài)轉(zhuǎn)化成塊狀（Bulk）單結(jié)晶狀態(tài)。可以通過運(yùn)用與藍(lán)寶石晶圓生產(chǎn)技術(shù)相同的EFG（Edge-defined Film-fed Growth）方法，做出氧化鎵晶圓，成熟的生產(chǎn)工藝會(huì)大幅度降低生產(chǎn)成本。
氧化鎵半導(dǎo)體的劣勢(shì)
目前氧化鎵作為半導(dǎo)體材料面臨的主要問題是，氧化鎵的低熱導(dǎo)率，這在上表中也有所體現(xiàn)，它的熱導(dǎo)率僅有0.14W/cm·k。解決辦法有兩種：熱傳遞自器件溝道往下到通過鍵合技術(shù)所得的高熱導(dǎo)率金剛石或AlN襯底以及自溝道往上至器件鈍化層頂部高熱導(dǎo)率金屬熱沉。P型摻雜依然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，但從器件角度來看可采用單極器件。其他挑戰(zhàn)還包括研制出具有低缺陷密度高可靠的柵介質(zhì)、更低阻值的歐姆接觸、更有效的終端技術(shù)比如場(chǎng)版和金屬環(huán)用來提高擊穿電場(chǎng)、更低缺陷密度及更耐壓的Ga2O3外延層以及更大更便宜的單晶襯底。在充分考慮并解決了不局限于上述問題，氧化鎵功率器件的明天便會(huì)大放光彩，為高效能功率器件的選擇提供新的方案。
氧化鎵半導(dǎo)體的市場(chǎng)前景
因?yàn)閾碛腥绱硕嗟膬?yōu)勢(shì)，氧化鎵被看作一個(gè)比氮化鎵擁有更廣闊前景的技術(shù)。
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！
氧化鎵半導(dǎo)體的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)
氧化鎵作為一種新興的功率半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度大于硅，氮化鎵和碳化硅，在高功率應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)愈加明顯。但這并不意味著氧化鎵一定會(huì)取代SiC和GaN，后兩者可能仍是硅之后的下一代主要半導(dǎo)體材料，他們會(huì)在不同的半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)揮自己的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
氧化鎵更有可能在擴(kuò)展超寬禁帶系統(tǒng)可用的功率和電壓范圍方面發(fā)揮作用。而最有希望的應(yīng)用可能是電力調(diào)節(jié)和配電系統(tǒng)中的高壓整流器，如電動(dòng)汽車和光伏太陽能系統(tǒng)。但在這之前，仍有很多工作要做。
參考來源：
[1]董林鵬.氧化鎵材料特性及光電探測(cè)器研究
[2]日本半導(dǎo)體的一張王牌.半導(dǎo)體觀察
[3]功率半導(dǎo)體氧化鎵到底是什么.電子產(chǎn)品世界
[4]郝躍院士談氧化鎵：致力于提供更高效的生活.半導(dǎo)體學(xué)報(bào)