第三代半導(dǎo)體器件剛開(kāi)始商用，第四代半導(dǎo)體材料研究取得了不少突破

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/程文智）這幾年GaN和SiC等第三代半導(dǎo)體器件的商用化進(jìn)展還不錯(cuò)，GaN器件在快充上開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用，SiC器件也在汽車(chē)上嶄露頭角。現(xiàn)在大家對(duì)第三代半導(dǎo)體器件的前景非?？春?，很多企業(yè)也一頭扎入了第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)當(dāng)中。

就在第三代半導(dǎo)體在商用化之路上高歌凱進(jìn)的時(shí)候，第四代半導(dǎo)體材料也取得了不少進(jìn)步。不久前，在與2021第十六屆“中國(guó)芯”集成電路產(chǎn)業(yè)促進(jìn)大會(huì)同期舉辦的“寬禁帶半導(dǎo)體助力碳中和發(fā)展峰會(huì)”上，北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院執(zhí)行院長(zhǎng)張杰教授分享了《超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵材料與器件研究》報(bào)告。

圖：北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院執(zhí)行院長(zhǎng)張杰教授在分享氧化鎵的研究成果

他在報(bào)告中表示，氧化鎵是被國(guó)際普遍關(guān)注并認(rèn)可的第四代半導(dǎo)體材料，是日盲光電器件最佳材料。他介紹了氧化鎵材料的優(yōu)勢(shì)、發(fā)展進(jìn)程，以及北郵在氧化鎵材料研究方面取得的成果。

氧化鎵材料的優(yōu)勢(shì)

后摩爾時(shí)代，具有先天性能優(yōu)勢(shì)的寬禁帶半導(dǎo)體材料脫穎而出，將推動(dòng)電力電子器件提高效率、提高密度、縮小尺寸、減輕重量、降低總成本。而超寬禁帶的禁帶寬度，決定了耐壓值、損耗、功率、頻率，以及使用等方面，超寬禁帶材料相對(duì)于硅基和第三代半導(dǎo)體材料都有優(yōu)勢(shì)。

第四代半導(dǎo)體比較典型的材料有氧化鎵、金剛石等。據(jù)張杰教授透露，北歐對(duì)氧化鎵材料進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研究工作。氧化鎵半導(dǎo)體材料，是目前國(guó)際上普遍關(guān)注和認(rèn)可的下一代超寬禁帶代表性材料。

目前，對(duì)第四代半導(dǎo)體材料的研究和發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入了國(guó)際研究視野。與第三代半導(dǎo)體材料相比，第四代半導(dǎo)體材料在耐壓性能、頻率性能上又有一些新的提升。而且根據(jù)國(guó)際上著名出版集團(tuán)每年對(duì)相關(guān)研究主題進(jìn)行論文的學(xué)術(shù)統(tǒng)計(jì)，氧化鎵的研究工作進(jìn)入科睿唯安2021研究前沿物理類，已經(jīng)得到了研究上的推進(jìn)。

在張杰教授看來(lái)，未來(lái)氧化鎵材料會(huì)在電力電子器件的應(yīng)用上扮演相當(dāng)重要的角色，因?yàn)榕cSiC材料相比，氧化鎵可以將導(dǎo)通電阻降低7倍，損耗降低86%，可以滿足功率半導(dǎo)體器件阻斷狀態(tài)可承受高電壓；導(dǎo)通狀態(tài)應(yīng)具備高電流密度和低導(dǎo)通壓降；以及滿足開(kāi)關(guān)時(shí)間短和損耗低的要求，非常適合電力電子器件的應(yīng)用。

另外，氧化鎵材料的性能也很強(qiáng)大，帶隙寬度為4.9eV，擊穿場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)8MV/cm、Baliga優(yōu)值達(dá)到了3214，導(dǎo)通電阻也很低。更為重要的是，一旦批量生產(chǎn)，氧化鎵的成本僅為第三代半導(dǎo)體材料成本均值的1/3，它更具成本優(yōu)勢(shì)。

另外一個(gè)氧化鎵材料應(yīng)用，是利用它的超寬禁帶的屬性制作的光電子器件。也就是主要用于日盲光電器件，即紫外區(qū)域，波長(zhǎng)短，禁帶寬。由于日盲紫外技術(shù)在紅外紫外雙色制導(dǎo)、導(dǎo)彈識(shí)別跟蹤、艦載通信等國(guó)防領(lǐng)域具有重大戰(zhàn)略意義。當(dāng)然，除了國(guó)防，該技術(shù)在電網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)成像、海上搜救、環(huán)境與生化檢測(cè)等民生領(lǐng)域也有很重要的應(yīng)用。

氧化鎵才來(lái)的發(fā)展進(jìn)展

跟氮化鎵和碳化硅等第三代半導(dǎo)體材料相比，氧化鎵材料的研究水平要相對(duì)滯后。目前氧化鎵材料還主要停留在試驗(yàn)研究和小批量商業(yè)供貨階段。但其前景其實(shí)還是很不錯(cuò)的。首先，其元素儲(chǔ)量相對(duì)豐富，而且性能、能耗和未來(lái)成品率方面都算不錯(cuò)。就目前來(lái)看，其產(chǎn)業(yè)化相對(duì)容易。

對(duì)氧化鎵材料的研究日本起步最早，2011年就開(kāi)始大力發(fā)展與氧化鎵相關(guān)的技術(shù)研究了，目前日本的商業(yè)化水平也做得最好。美國(guó)在2018年也開(kāi)始了對(duì)氧化鎵材料的研究。我國(guó)對(duì)材料的關(guān)注也在不斷加強(qiáng)，在十四五規(guī)劃里就將第三代半導(dǎo)體材料作為發(fā)展的重點(diǎn)，并且在科技規(guī)劃里，將超寬禁帶半導(dǎo)體材料列入了戰(zhàn)略研究布局。2018年我國(guó)也啟動(dòng)了包括氧化鎵、金剛石、氮化硼等在內(nèi)的超寬禁帶半導(dǎo)體材料的探索和研究。

目前在氧化鎵方面的研究，日本走在的最前列，日本的田村是世界上首家研發(fā)出氧化鎵單晶的公司，并進(jìn)行了UVLED、紫外探測(cè)器的研發(fā)。張杰教授表示，目前全球只有田村有供給研究用的氧化鎵單晶襯底。另根據(jù)公開(kāi)的資料顯示，田村在2017年的日本高新技術(shù)博覽會(huì)上推出了氧化鎵SBD功率器件。

關(guān)于氧化鎵材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展方面，首先需要做材料襯底，單晶制作。目前氧化鎵的單晶制備方法有浮區(qū)法（FZ）、導(dǎo)模法（EFG）、提拉法（CZ）和垂直布里奇曼法（VB）幾種。國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)始了單晶制備方面的研究，但都是做小規(guī)模的試驗(yàn)應(yīng)用?，F(xiàn)在有兩條路線比較受歡迎，即導(dǎo)模法和提拉法。

根據(jù)這幾年的實(shí)踐，大家對(duì)導(dǎo)模法的成品率比較認(rèn)可，可以滿足商業(yè)要求。大部分公司都采用了這一技術(shù)路線來(lái)制作單晶。田村商業(yè)供應(yīng)的2英寸氧化鎵單晶采用的就是該技術(shù)。2016年田村還用導(dǎo)模法生產(chǎn)出了6英寸單晶，但是并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)批量供貨。國(guó)內(nèi)不同的大學(xué)和機(jī)構(gòu)也已經(jīng)在開(kāi)展相關(guān)的研究工作了。2019年底，北郵成功實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)模法生長(zhǎng)3英寸的單晶。

制備單晶的最終目的是為了生產(chǎn)各種各樣的器件，目前在器件方面也有一些進(jìn)展了。利用氧化鎵材料生產(chǎn)的功率器件將有更高的耐壓值，可以超越碳化硅和氮化鎵的物理極限。

最后，張杰教授還介紹了北郵在氧化鎵材料和器件研究方面取得的進(jìn)展。據(jù)他介紹，北郵有一個(gè)信息光子學(xué)與光通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，其中一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，重點(diǎn)做的就是氧化鎵材料和器件的研究。負(fù)責(zé)人是唐為華教授，他在氧化鎵領(lǐng)域工作了11年，重點(diǎn)解決了材料高腐蝕性、高揮發(fā)性以及易解理、多相共生等材料生長(zhǎng)技術(shù)難點(diǎn)，滿足均勻性非常好的單晶材料。

張杰教授表示，該團(tuán)隊(duì)不僅研究氧化鎵材料和器件，還對(duì)氧化鎵單晶材料的制備設(shè)備進(jìn)行了研究。目前在器件方面，制作出了氧化鎵基日盲紫外探測(cè)器分立器件和陣列成像器件；還制作出了氧化鎵基肖特基二極管，實(shí)現(xiàn)了950V耐壓，導(dǎo)通電阻可達(dá)2毫歐。未來(lái)兩三年會(huì)制作出氧化鎵MOS器件。

結(jié)語(yǔ)

目前，氧化鎵材料可能并不是主流市場(chǎng)的商用化材料，但從目前的研究來(lái)看，氧化鎵材料在大功率、高效率電子器件中，在實(shí)驗(yàn)室里，已經(jīng)展示出非常好的一些性能，所以未來(lái)在大規(guī)模應(yīng)用上，氧化鎵或許會(huì)有不錯(cuò)的應(yīng)用前景，不過(guò)在此之前，還有很多問(wèn)題需要解決。