同为第三代半导体材料,它却被碳化硅氮化镓抢尽了风头,如今将迎来爆发
发布时间:2020-10-15 来源:中国粉体网     分享到:

 时至今日,以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料得到了极大地关注,它们在较大功率、高温、高压应用领域所发挥的作用也不是传统的硅器件所能比较的。尤其是伴随着新能源、5G等新兴高科技领域对高性能半导体材料的要求日益严格,第三代半导体材料注定会进一步大放异彩。


除了碳化硅和氮化镓,近年来,氧化镓(Ga2O3)也再一次走入了人们的视野,并凭借比SiC和GaN更宽的禁带,又成为了众多研究者的研究重点。


氧化镓为什么至今才被重视


氧化镓走入大家的视野,为什么要强调“再一次”呢?


实际上,氧化镓在半导体领域的应用并不是一项崭新的技术,在很多年前就有人对其展开了大量的研究,但这种材料原本不是用于功率元件的,最初是计划用于LED(发光二极管)基板等而进行研发的。


但是这些用途的研发与应用规模较小,它的一些“特异功能”似乎有些超前,并无用武之地,再加上它的技术难度高以及散热方面问题突出,在当时看来显然不如开发碳化硅、氮化镓等更具有性价比。


俗话说,三十年河东三十年河西。而随着应用需求的发展愈加明朗,未来对高功率器件的性能要求越来越高,尤其是对超宽禁带半导体材料的迫切需求,这使得人们更深切地看到了氧化镓的优势和前景,相应的研发工作又多了起来,已成为美国、日本、德国等国家的研究热点和竞争重点。


氧化镓的性能优势


Ga2O3是金属镓的氧化物,同时也是一种半导体化合物。其结晶形态截至目前已确认有α、β、γ、δ、ε五种,其中,β结构最稳定。与Ga2O3的结晶生长及物性相关的研究大部分围绕β结构展开。研究人员曾试制了金属半导体场效应晶体管,尽管属于未形成保护膜钝化膜的简单结构,但是样品已经显示出耐压高、泄漏电流小的特性。在使用碳化硅和氮化镓制造相同结构的元件时,通常难以达到这些样品的指标。


表1:几种半导体材料性能比较


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比较了一下“定量评价功率元件理论性能的指数(性能指数)”,氧化镓是硅的3000倍,是碳化硅的6倍,是氮化镓的3倍。


具体来看,β-Ga2O3的带隙很大,达到4.8eV,这一数值为Si的4倍多,而且也超过了SiC的3.3eV及GaN的3.4eV。一般情况下,带隙大的话,击穿电场强度也会很大。β-Ga2O3的击穿电场强度估计为8MV/cm左右,达到Si的20多倍,相当于SiC及GaN的2倍以上。


氧化镓半导体的价格优势


除了材料性能优异如带隙比碳化硅和氮化镓大,利用Ga2O3作为半导体材料的主要原因是其生产成本较低。


功率元件与一般的半导体元件相比,晶圆占据了元件的较大一部分生产成本。晶圆成本(每单位面积)最低的是硅,每平方厘米的晶圆成本不足100日元(约人民币6元)。


而碳化硅晶圆的成本(每平方厘米)为1500多日元(约人民币90元),据说氮化镓的成本会超过4万日元(约人民币2400元)。分别是硅的15倍、400倍。


随着氧化镓晶体生长技术的突破性进展,氧化稼和蓝宝石一样,可以从溶液状态转化成块状(Bulk)单结晶状态。可以通过运用与蓝宝石晶圆生产技术相同的EFG(Edge-defined Film-fed Growth)方法,做出氧化镓晶圆,成熟的生产工艺会大幅度降低生产成本。


氧化镓半导体的劣势


目前氧化镓作为半导体材料面临的主要问题是,氧化镓的低热导率,这在上表中也有所体现,它的热导率仅有0.14W/cm·k。解决办法有两种:热传递自器件沟道往下到通过键合技术所得的高热导率金刚石或AlN衬底以及自沟道往上至器件钝化层顶部高热导率金属热沉。P型掺杂依然是一个巨大的挑战,但从器件角度来看可采用单极器件。其他挑战还包括研制出具有低缺陷密度高可靠的栅介质、更低阻值的欧姆接触、更有效的终端技术比如场版和金属环用来提高击穿电场、更低缺陷密度及更耐压的Ga2O3外延层以及更大更便宜的单晶衬底。在充分考虑并解决了不局限于上述问题,氧化镓功率器件的明天便会大放光彩,为高效能功率器件的选择提供新的方案。


氧化镓半导体的市场前景


因为拥有如此多的优势,氧化镓被看作一个比氮化镓拥有更广阔前景的技术。


据市场调查公司--富士经济于2019年6月5日公布的Wide Gap 功率半导体元件的全球市场预测来看,2030年氧化镓功率元件的市场规模将会达到1542亿日元(约人民币92.76亿元),这个市场规模要比氮化镓功率元件的规模(1085亿日元,约人民币65.1亿元)还要大!


氧化镓半导体的应用发展趋势


氧化镓作为一种新兴的功率半导体材料,其禁带宽度大于硅,氮化镓和碳化硅,在高功率应用领域的应用优势愈加明显。但这并不意味着氧化镓一定会取代SiC和GaN,后两者可能仍是硅之后的下一代主要半导体材料,他们会在不同的半导体领域发挥自己的独特优势。


氧化镓更有可能在扩展超宽禁带系统可用的功率和电压范围方面发挥作用。而最有希望的应用可能是电力调节和配电系统中的高压整流器,如电动汽车和光伏太阳能系统。但在这之前,仍有很多工作要做。


参考来源:

[1]董林鹏.氧化镓材料特性及光电探测器研究

[2]日本半导体的一张王牌.半导体观察

[3]功率半导体氧化镓到底是什么.电子产品世界

[4]郝跃院士谈氧化镓:致力于提供更高效的生活.半导体学报


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