12024-21-4/氧化鎵——又一半導(dǎo)體材料

氧化鎵的別名是三氧化二鎵，氧化鎵（Ga2O3）是一種寬禁帶半導(dǎo)體，Eg=4.9eV，其導(dǎo)電性能和發(fā)光特性長期以來一直引起人們的注意。Ga2O3是一種透明的氧化物半導(dǎo)體材料，在光電子器件方面有廣闊的應(yīng)用前景 ，被用作于Ga基半導(dǎo)體材料的絕緣層，以及紫外線濾光片。它還可以用作O2化學(xué)探測器。

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。

氧化鎵的性能優(yōu)勢

Ga 2 O 3 是金屬鎵的氧化物，同時也是一種半導(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Ga 2 O 3 的結(jié)晶生長及物性相關(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)體場效應(yīng)晶體管，盡管屬于未形成保護(hù)膜鈍化膜的簡單結(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，通常難以達(dá)到這些樣品的指標(biāo)。

具體來看，β- Ga2 O3 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，擊穿電場強(qiáng)度也會很大。β- Ga2 O3 的擊穿電場強(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

除了材料性能優(yōu)異如帶隙比碳化硅和氮化鎵大，利用 Ga 2 O 3 作為半導(dǎo)體材料的主要原因是其生產(chǎn)成本較低。隨著氧化鎵晶體生長技術(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)工藝會大幅度降低生產(chǎn)成本。

氧化鎵半導(dǎo)體的市場前景

因?yàn)閾碛腥绱硕嗟膬?yōu)勢，氧化鎵被看作一個比氮化鎵擁有更廣闊前景的技術(shù)。

據(jù)市場調(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)體元件的全球市場預(yù)測來看，2030年氧化鎵功率元件的市場規(guī)模將會達(dá)到1542億日元（約人民幣92.76億元），這個市場規(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

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)勢愈加明顯。但這并不意味著氧化鎵一定會取代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，他們會在不同的半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)揮自己的獨(dú)特優(yōu)勢。

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)