氧化鎵是一種很有前途的材料，可用于制造用于電動汽車和其他應(yīng)用的更高效的功率器件。引人注目的是，該領(lǐng)域領(lǐng)先的美國公司的一個主要投資者是美國國防部。

正如參與其商業(yè)化的日本公司Taiyo Nippon Sanso所解釋的，“其作為功率器件的理論性能遠高于硅，也超過了碳化硅和氮化鎵，是一種優(yōu)秀的材料?！泵绹?、日本、歐洲、韓國、臺灣和中國正在開發(fā)氧化鎵晶圓和器件。當美國政府對氧化鎵的國家安全影響發(fā)出警告時，日本正在引領(lǐng)其商業(yè)化。

氧化鎵材料簡述

GaO氧化鎵單晶材料，是繼Si、SiC及GaN后的第四代寬禁帶半導(dǎo)體材料，已知晶相共6種，包括α，β，γ 等5 種穩(wěn)定相和1 個瞬態(tài)相κ－GaO，其中β 相為熱力學(xué)穩(wěn)定相。GaO熔點約為1793 ℃，高溫下其他相均轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢璆aO，通過熔體法只能生長獲得β－GaO單晶。β－GaO在體塊單晶生長方面，相對其他晶相具有明顯優(yōu)勢。

材料特性

更高的禁帶寬度，晶體禁帶寬度約為4.7eV，遠大于Si( 1.1 eV)、GaAs( 1.4 eV) 、SiC ( 3.3 eV)及GaN ( 3.4 eV) 等材料。大的禁帶寬度使β－GaO具備制作高耐壓、大功率、低損耗功率器件及深紫外光電器件的能力，可以彌補現(xiàn)有半導(dǎo)體材料的不足。

低制作成本，β－GaO在材料制備方面優(yōu)勢明顯。β－GaO與單晶Si、GaAs 類似，可以采用熔體法生長，晶體制備成本較低。

器件尺寸更小，由于GaO優(yōu)良的材料特性，GaO材料制作的半導(dǎo)體器件尺寸會更小。

劣勢：遷移率低、導(dǎo)熱率低。

制備方法

氧化鎵單晶生長的研究最早可追溯到20世紀60年代，由于氧化鎵單晶的熔點較高（約為1820 °C），在高溫生長過程中極易分解揮發(fā)，導(dǎo)致氧化鎵單晶在生長過程中不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生大量的氧空位，進而造成孿晶、鑲嵌結(jié)構(gòu)、螺旋位錯等缺陷；此外，高溫下氧化鎵分解生成的 GaO、Ga等氣體還會嚴重腐蝕銥金坩堝，因此生長大尺寸高質(zhì)量的 β-GaO單晶非常困難。

氧化鎵單晶的生長方法主要包括焰熔法、提拉法、光浮區(qū)法、導(dǎo)模法、布里奇曼法等，主流制備方法有提拉法和導(dǎo)模法，其中導(dǎo)模法最接近產(chǎn)業(yè)化。

導(dǎo)模法(Edge-defined film-fed growth method)又稱為邊緣限定薄膜供料生長法，于20世紀60年代由英國的HAROLD和蘇聯(lián)的STEPANOV 相繼提出，該方法實際上是提拉法的一種變形，其生長晶體的原理與提拉法類似，是一種近尺寸成型生長晶體技術(shù)，能夠直接從熔體中生長出所需形狀的晶體毛坯，但其對模具的材料和設(shè)計要求較高。

導(dǎo)模法生長晶體的原理如下圖所示，將內(nèi)部留有毛細管狹縫的耐熔金屬模具浸入單晶爐的熔體中，熔體通過毛細作用下被吸引到模具上表面，熔體在表面張力的作用下形成一層薄膜并向四周擴散，放下籽晶使其與熔體薄膜接觸，控制模具頂部的溫度梯度，使籽晶端面結(jié)晶出與籽晶相同結(jié)構(gòu)的單晶，然后通過提拉機構(gòu)不斷向上提升籽晶，籽晶經(jīng)過放肩和等徑生長完成整個單晶的制備，模具頂部的外形和尺寸大小決定了導(dǎo)模法生長晶體的截面形狀。

與提拉法相比，導(dǎo)模法的優(yōu)點在于其可以實現(xiàn)定形/定向的晶體生長，晶體的截面形狀和尺寸由模具頂部邊緣的形狀和尺寸決定，且晶體生長速度快，材料利用率高，生產(chǎn)成本低，便于實現(xiàn)晶體生長的產(chǎn)業(yè)化。導(dǎo)模法已在藍寶石、單晶硅、閃爍晶體的制備中廣泛使用，但導(dǎo)模法的缺點在于其對模具設(shè)備和工藝操作要求較復(fù)雜。

在導(dǎo)模法生長氧化鎵單晶技術(shù)方面，目前日本走在國際的前列。近年來，日本田村株式會社的 KURAMATA 等對導(dǎo)模法生長氧化鎵單晶技術(shù)進行了大量的研究，該公司采用導(dǎo)模法成功生長出6英寸高質(zhì)量氧化鎵單晶，并實現(xiàn)了2英寸氧化鎵單晶的產(chǎn)業(yè)化，處于國際領(lǐng)先地位。

與第三代半導(dǎo)體襯底環(huán)節(jié)的對比

1、  晶片尺寸 

三種材料目前的尺寸基本相當，即單片襯底的芯片產(chǎn)出相差不大（GaO器件做成垂直器件相對會更小，此處差異忽略不計）。SiC已有8寸單晶襯底、GaN（自支撐）目前有4寸量產(chǎn)產(chǎn)品，6寸樣品剛進入市場，未量產(chǎn)暫時未考慮。

2、設(shè)備投入：（晶體生長爐+坩堝+晶體加工設(shè)備）

GaO設(shè)備投入每條產(chǎn)線投入約350萬，SiC設(shè)備投入每條產(chǎn)線550萬，GaN設(shè)備投入每條產(chǎn)線800萬。

3、生產(chǎn)效率 

GaO每月可產(chǎn)出8爐，年產(chǎn)80爐，可產(chǎn)800片，邊角料短期內(nèi)還可切成10mm * 10mm的小片銷售給科研單位研究用，每爐100片，年產(chǎn)8000片小片。SiC每月可產(chǎn)4爐，年產(chǎn)40爐，可產(chǎn)400片，不能按小片銷售，且良率按30%算約為120片。GaN自支撐襯底產(chǎn)量更小。

外延及芯片加工階段的對比

SiC、GaN的外延生長設(shè)備成本就明顯要高出GaO材料數(shù)倍，且因為外延時間較短，升溫、降溫的時間要遠遠大于實際外延生長時間，所以幾種材料外延的速度差異并不明顯，而且由于各家技術(shù)有差異，用途不同的外延也有些許差別，此處不做更深入的比較。目前各種材料的外延技術(shù)較為成熟，可以滿足市場的需求。

芯片加工階段，由于GaO、SiC可以使用垂直結(jié)構(gòu)，所以同等規(guī)格下，芯片面積較小，為便于比較，暫時忽略這種優(yōu)勢，三種材料在功率芯片加工過程的成本差異不大。

綜上可以看出，GaO器件最終成本低于SiC、GaN，且性能更好，具有獨特的競爭優(yōu)勢。

市場空間 

日本氧化鎵行業(yè)龍頭NCT預(yù)測氧化鎵晶圓的市場到2030年度將擴大到約590億日元（約合4.7億美元）規(guī)模，而從市場調(diào)查公司富士經(jīng)濟對寬禁帶功率半導(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)模將會達到1542億日元（約合12.2億美元），這個市場規(guī)模要比氮化鎵功率元件的規(guī)模（約合8.6億美元）還要大。

有更大膽地預(yù)測，氧化鎵比起以往的電子元件更有效率，在晶圓價格方面也比碳化硅等要更為低廉。2030年氧化鎵功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將達15億美元。

產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀