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氧化鎵:第四代寬禁帶半導(dǎo)體材料

發(fā)布時(shí)間:2024-03-30發(fā)布人:

近來,氧化鎵(Ga2O3)作為一種“超寬禁帶半導(dǎo)體”材料,得到了持續(xù)關(guān)注。超寬禁帶半導(dǎo)體也屬于“第四代半導(dǎo)體”,與第三代半導(dǎo)體碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)相比,氧化鎵的禁帶寬度達(dá)到了4.9eV,高于碳化硅的3.2eV和氮化鎵的3.39eV,更寬的禁帶寬度意味著電子需要更多的能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶,因此氧化鎵具有耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻照等特性。并且,在同等規(guī)格下,寬禁帶材料可以制造die size更小、功率密度更高的器件,節(jié)省配套散熱和晶圓面積,進(jìn)一步降低成本。


一、氧化鎵的性能、應(yīng)用和成本 


1.1  第四代半導(dǎo)體材料

第一代半導(dǎo)體指硅(Si)、鍺(Ge)等元素半導(dǎo)體材料;第二代半導(dǎo)體指砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等具有較高遷移率的半導(dǎo)體材料;第三代半導(dǎo)體指碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導(dǎo)體材料;第四代半導(dǎo)體指氧化鎵(Ga2O3)、金剛石(C)、氮化鋁(AlN)等超寬禁帶半導(dǎo)體材料,以及銻化鎵(GaSb)、銻化銦(InSb)等超窄禁帶半導(dǎo)體材料。

第四代超寬禁帶材料在應(yīng)用方面與第三代半導(dǎo)體材料有交疊,主要在功率器件領(lǐng)域有更突出的應(yīng)用優(yōu)勢。第四代超窄禁帶材料的電子容易被激發(fā)躍遷、遷移率高,主要應(yīng)用于紅外探測、激光器等領(lǐng)域。第四代半導(dǎo)體全部在我國科技部的“戰(zhàn)略性電子材料”名單中,很多規(guī)格國外禁運(yùn)、國內(nèi)也禁止出口,是全球半導(dǎo)體技術(shù)爭搶的高地。第四代半導(dǎo)體核心難點(diǎn)在材料制備,材料端的突破將獲得極大的市場價(jià)值。

1.2 氧化鎵的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

氧化鎵有5種同素異形體,分別為α、β、γ、ε和δ。其中β-Ga2O3(β相氧化鎵)最為穩(wěn)定,當(dāng)加熱至一定高溫時(shí),其他亞穩(wěn)態(tài)均轉(zhuǎn)換為β相,在熔點(diǎn)1800℃時(shí)必為β相。目前產(chǎn)業(yè)化以β相氧化鎵為主。

氧化鎵材料性質(zhì):

  • 超寬禁帶,在超高低溫、強(qiáng)輻射等極端環(huán)境下性能穩(wěn)定,并且對(duì)應(yīng)深紫外吸收光譜,在日盲紫外探測器有應(yīng)用。
  • 高擊穿場強(qiáng)、高Baliga值,對(duì)應(yīng)耐壓高、損耗低,是高壓高功率器件不可替代的明星材料。
1.3  氧化鎵:挑戰(zhàn)碳化硅


氧化鎵是寬禁帶半導(dǎo)體中唯一能夠采用液相的熔體法生長的材料,并且硬度較低,材料生長和加工的成本均比碳化硅有優(yōu)勢,氧化鎵將全面挑戰(zhàn)碳化硅。

1. 氧化鎵的功率性能好、損耗低
氧化鎵的Baliga優(yōu)值分別是GaN和SiC的四倍和十,導(dǎo)通特性好。氧化鎵器件的功率損耗是SiC的1/7,也就是硅基器件的1/49。

2. 氧化鎵的加工成本低
氧化鎵的硬度比硅還軟,因此加工難度較小,而SiC硬度高,加工成本極高。

3. 氧化鎵的晶體品質(zhì)好
氧化鎵用液相的熔體法生長,位錯(cuò)(每平方厘米的缺陷個(gè)數(shù))<102cm-2,而SiC用氣相法生長,位錯(cuò)個(gè)數(shù)約105cm-2。

4. 氧化鎵的生長速度是SiC的100
氧化鎵用液相的熔體法生長,每小時(shí)長10~30mm,每爐2天,而SiC用氣相法生長,每小時(shí)長0.1~0.3mm,每爐7天。

5. 氧化鎵晶圓的產(chǎn)線成本低,起量快
氧化鎵的晶圓線與Si、GaN以及SiC的晶圓線相似度很高,轉(zhuǎn)換的成本較低,有利于加速氧化鎵的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度。從日本經(jīng)濟(jì)新聞網(wǎng)報(bào)道的原文“Novel Crystal Technology在全球首次成功量產(chǎn)以新一代功率半導(dǎo)體材料氧化鎵制成的100毫米晶圓,客戶企業(yè)可以用支持100毫米晶圓的現(xiàn)有設(shè)備制造新一代產(chǎn)品,有效運(yùn)用過去投資的老設(shè)備?!眮砜?,氧化鎵不像SiC需要特殊設(shè)備而必須新建產(chǎn)線,潛在可轉(zhuǎn)換的產(chǎn)能已非常巨大。

1.4  氧化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域:功率器件

氧化鎵的四大機(jī)遇:

  • 單極替換雙極:即MOSFET替換IGBT,新能源車及充電樁、特高壓、快充、工業(yè)電源、電機(jī)控制等功率市場中,淘汰硅基IGBT已是必然,硅基GaN、SiC、Ga2O3是競爭材料。
  • 更加節(jié)能高效氧化鎵功率器件能耗低,符合碳中和、碳達(dá)峰的戰(zhàn)略。
  • 易大尺寸量產(chǎn)擴(kuò)徑、生產(chǎn)簡單,芯片工藝易實(shí)現(xiàn),成本低。
  • 可靠性要求高材料穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)可靠,高品質(zhì)襯底/外延。


氧化鎵的目標(biāo)市場:

  • 長期來說,氧化鎵功率器件覆蓋650V/1200V/1700V/3300V,預(yù)計(jì)2025年至2030年全面滲透車載和電氣設(shè)備領(lǐng)域,未來也將在超高壓的氧化鎵專屬市場發(fā)揮優(yōu)勢,如高壓電源真空管等應(yīng)用領(lǐng)域。
  • 短期來說,預(yù)計(jì)氧化鎵功率器件將在門檻較低、成本敏感的中高壓市場率先出現(xiàn),如消費(fèi)電子、家電以及能發(fā)揮材料高可靠、高性能的工業(yè)電源等領(lǐng)域。

氧化鎵容易取勝的市場:

  • 新能源車OBC/逆變器/充電樁
  • DC/DC:12V/5V→48V轉(zhuǎn)換
  • IGBT的存量市場
1.5  氧化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域:射頻器件


GaN市場需要大尺寸、低成本的襯底,才能真正發(fā)揮GaN材料的優(yōu)勢。

同質(zhì)襯底上生長同質(zhì)外延的外延層品質(zhì)是最好的,但由于GaN襯底價(jià)格很高,在LED、消費(fèi)電子、射頻等領(lǐng)域采用相對(duì)廉價(jià)的襯底,如Si、藍(lán)寶石、SiC襯底,但這些襯底與GaN晶體結(jié)構(gòu)的差異會(huì)造成晶格失配,相當(dāng)于用成本犧牲了外延品質(zhì)。當(dāng)GaN同質(zhì)外延GaN,才能用在激光器這類要求較高的應(yīng)用場景。

GaN與氧化鎵的晶格失配僅2.6%,以氧化鎵襯底,異質(zhì)外延生長的GaN品質(zhì)高,且無銥法生長6寸氧化鎵的成本接近硅,有望在GaN射頻器件市場得到重要應(yīng)用。

二、氧化鎵襯底的長晶與外延工藝 

2.1 半導(dǎo)體材料的長晶工藝

熔體法是生長半導(dǎo)體材料最理想的方式,有以下幾個(gè)優(yōu)勢。

  • 尺寸大:小籽晶能夠長出大晶體;
  • 產(chǎn)量高:每爐晶錠可切出上千片襯底;
  • 品質(zhì)好:位錯(cuò)可趨于0,晶體品質(zhì)很好;
  • 長速快:每小時(shí)能夠長幾厘米,比氣相法快得多。

氧化鎵是寬禁帶半導(dǎo)體中唯一有常壓液態(tài)的材料,即可用上述熔體法生長。氧化鎵生長常用的直拉法為熔體法的一種,需要依賴銥坩堝(貴金屬Ir單質(zhì)),原因是直拉法生長氧化鎵需要高溫富氧的環(huán)境,否則原料容易分解成Ga和O2,影響產(chǎn)物,而只有貴金屬銥坩堝能夠在這種極端環(huán)境下保持穩(wěn)定。

2.2 氧化鎵的長晶工藝


由于直拉法原料揮發(fā)較多,氧化鎵的長晶工藝從直拉法逐步演變?yōu)橛秀炆w和模具的導(dǎo)模法,兩種方法均需使用銥坩堝,目前導(dǎo)模法已成為主流的氧化鎵長晶方法。

然而由于銥坩堝的成本和損耗太高,生長幾十爐后就會(huì)被腐蝕損耗,需要重新熔煉加工,且長晶過程中,銥會(huì)形成雜質(zhì)進(jìn)入晶體,產(chǎn)業(yè)界有很強(qiáng)的無銥法開發(fā)需求。

2022年4月,日本經(jīng)濟(jì)新聞網(wǎng)發(fā)布了一則消息,日本C&A公司采用一種銅坩堝的直拉法生長出2寸氧化鎵單晶,能夠?qū)⒊杀窘抵翆?dǎo)模法的1/100。

三、氧化鎵的學(xué)術(shù)研究、應(yīng)用發(fā)展 


3.1  氧化鎵襯底競賽

SiC從2寸到6寸花了20年(1992-2012),而氧化鎵從2寸到6寸僅4年(2014-2018)

  • 國外:日本NCT公司領(lǐng)跑全球氧化鎵產(chǎn)業(yè),供應(yīng)全球近100%的氧化鎵襯底,2寸片2.5萬元,4寸片5-6萬元。

  • 國內(nèi):中電科46所在2018年創(chuàng)造了國內(nèi)的氧化鎵4寸記錄,山東大學(xué)于2022年也報(bào)道了4寸,目前國內(nèi)還未出現(xiàn)有量產(chǎn)能力的公司或院校,一定程度上限制于銥坩堝的成本。
四、氧化鎵的產(chǎn)業(yè)鏈與市場空間


4.1  氧化鎵產(chǎn)業(yè)鏈

氧化鎵襯底和外延環(huán)節(jié)位于功率器件的產(chǎn)業(yè)鏈上游。類比碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈,價(jià)值集中于上游襯底和外延環(huán)節(jié):1顆碳化硅器件的成本中,47%來自襯底,23%來自外延,襯底+外延共占70%。

隨著氧化鎵的成本進(jìn)一步降低,襯底占比會(huì)比SiC小得多。

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總的來說,在未來10年,氧化鎵器件將有可能成為直接與碳化硅競爭的電力電子器件,但作為半導(dǎo)體新材料,氧化鎵市場規(guī)模的突破取決于成本的快速降低。未來幾年是日本開始大規(guī)模導(dǎo)入氧化鎵的關(guān)鍵階段,中國能否緊跟業(yè)界腳步,需要國內(nèi)氧化鎵產(chǎn)業(yè)界攜手努力。

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