近日，廈門大學電子科學與技術學院楊偉鋒教授團隊在第四代半導體氧化鎵（β-Ga2O3）外延生長技術和日盲光電探測器制備方面取得重要進展，為β-Ga2O3異質外延薄膜的大面積生長和高性能的器件應用提供了重要支持。

β-Ga2O3材料因其本征日盲光吸收(254 nm)，簡單二元組成，帶隙可調，制備工藝簡單等優(yōu)勢在日盲光電探測器領域受到廣泛關注。在β-Ga2O3薄膜生長方面，研究團隊利用分子束外延技術（MBE）實現(xiàn)了高質量、低缺陷密度的外延薄膜生長。并通過改變反應物前驅體和精密控制生長參數(shù)，成功實現(xiàn)了β-Ga2O3外延薄膜的均勻生長和優(yōu)良的晶體質量，有力地推動了β-Ga2O3薄膜的高質量異質外延的發(fā)展。同時，研究團隊還通過對MBE外延生長過程中的β-Ga2O3薄膜生長機制進行詳細探究，揭示了其成核、生長的差異性，并建立了相對應的外延生長機理模型圖。

在β-Ga2O3日盲光電探測器制備方面，研究團隊基于II型能帶結構制備的CuCrO2/β-Ga2O3 p-n異質結型的自供電日盲光電探測器具有6.5 pA的低暗電流、5.7×104的高光暗電流比、50 mA/W的高響應度、3.7×1012 Jones的高探測率和24.6%的高外量子效率，優(yōu)于大多數(shù)報道的基于β-Ga2O3的異質結光電探測器。

另外，研究團隊在MBE異質外延β-Ga2O3生長機制的基礎上，結合半導體光電響應原理，探究了異質外延β-Ga2O3薄膜日盲光電探測器的性能指標。研究團隊利用臭氧作為前驅體所制備的金屬-半導體-金屬結構日盲光電探測器表現(xiàn)出7.5 pA的暗電流、1.31×107的光暗電流比、1.31×1015 Jones的比檢測率和 53 A/W的光響應度，表現(xiàn)出相當優(yōu)異的對日盲紫外光的探測性能。

同時針對外延薄膜光電探測器暗電流大的不足，研究團隊在金半界面處引入了鈍化層改善器件性能：利用AlN/β-Ga2O3界面工程對金半界面處的載流子傳輸進行調控，所制備的金屬-絕緣體-半導體-絕緣體-金屬（MISIM）結構的日盲光電探測器實現(xiàn)了響應度和響應速度的同時優(yōu)化。具有 3 nm AlN 層的光電器件表現(xiàn)出482 A/W的響應度、2.48×1015 Jones 的比探測率和0.10 s的快下降時間。

研究團隊在β-Ga2O3材料和器件的研究進展為超寬禁帶半導體在日盲深紫外探測器領域的應用和發(fā)展提供了技術參考，推動超寬禁帶半導體基光電子技術的創(chuàng)新發(fā)展，為構建低噪聲、高光響應的光電子器件開拓了研究途徑。


超越碳化硅，氧化鎵的優(yōu)勢

氧化鎵，這種第四代半導體材料，具備禁帶寬度大（4.8 eV）、臨界擊穿場強高（8MV/cm）、導通特性好等優(yōu)勢。氧化鎵有五種已確認的結晶形態(tài)，其中最穩(wěn)定的是β-Ga2O3。其禁帶寬度為4.8～4.9 eV，擊穿場強高達8 MV/cm，而其導通電阻比SiC、GaN低得多，極大降低了器件的導通損耗。其特性參數(shù)巴利加優(yōu)質（BFOM）高達3400，大約是SiC的10倍、GaN的4倍。

相比于碳化硅和氮化鎵，氧化鎵的生長過程可以使用常壓下的液態(tài)熔體法，這使得其品質高、產(chǎn)量大且成本低。但 SiC、 GaN等材料因其特殊性質，目前僅能采用氣相法制備，且需保持較高的溫度、較高的能耗。這意味著，在生產(chǎn)上，氧化鎵會占據(jù)一定的成本優(yōu)勢，而國內的工廠也會迅速擴大產(chǎn)能。

與SiC相比， 氧化鎵在各方面都優(yōu)于SiC。特別是其較大的禁帶寬度和較高的擊穿場強，使得它在大功率和高頻率應用中具有顯著優(yōu)勢。


氧化鎵的具體應用和市場潛力

氧化鎵的發(fā)展前景日益凸顯，該市場當前主要由日本的Novel Crystal Technology (NCT)和Flosfia兩大巨頭壟斷。NCT自2012年開始投入氧化鎵的研發(fā)，成功突破多項關鍵技術，包括2英寸氧化鎵晶體與外延技術，以及氧化鎵材料的量產(chǎn)等。其高效性與高性能受到了行業(yè)的廣泛認可。其在2021年成功量產(chǎn)4英寸氧化鎵晶圓，并已開始供應客戶晶圓，為日本在第三代化合物半導體競賽中再度保持領先。

據(jù)NCT預測，氧化鎵晶圓的市場在未來十年將放量增長，到2030年度將擴大到約30.2億元人民幣規(guī)模。FLOSFIA預測，到2025年，氧化鎵功率器件市場規(guī)模將開始超過氮化鎵，2030年將達到15.42億美元（約100億元人民幣），占碳化硅的40%，是氮化鎵的1.56倍。根據(jù)富士經(jīng)濟的預測，到2030年，氧化鎵功率元件市場規(guī)模將達到1,542億日元（約92.76億元人民幣），將超過氮化鎵功率元件的市場規(guī)模。這種趨勢反映了氧化鎵在功率電子設備中的重要性及其未來的潛力。

在一些特定應用領域，氧化鎵有著巨大的優(yōu)勢。在功率電子領域，氧化鎵功率器件與氮化鎵、碳化硅有部分重合，軍用領域主要應用于高功率電磁炮、坦克戰(zhàn)斗機艦艇等電源控制系統(tǒng)以及抗輻照、耐高溫宇航用電源等。民用領域則主要應用于電網(wǎng)、電力牽引、光伏、電動汽車、家用電器、醫(yī)療設備和消費類電子等領域。

新能源車市場也為氧化鎵提供了巨大的應用場景。然而，國內在車規(guī)級功率器件方面一直很薄弱，目前尚無車規(guī)的SiC MOS IDM。雖然有幾家在XFab代工的Fabless企業(yè)可以快速具備較為全面的SBD和MOS規(guī)格推向市場，銷售和融資進展較為順利，但是未來仍要自建FAB 形成IDM掌握產(chǎn)能、研發(fā)獨有工藝，才能產(chǎn)生差異化的競爭優(yōu)勢。

充電樁對成本非常敏感，這就為氧化鎵提供了機會。如果能滿足甚至超過性能需求的同時，以成本優(yōu)勢獲得市場的認可，那么氧化鎵在這個領域的應用就有很大的可能性。

在射頻器件市場，氧化鎵的市場容量可參考碳化硅外延氮化鎵器件的市場。新能源汽車的核心是逆變器，對器件的規(guī)格要求非常高。目前，有意法半導體、日立、安森美、Rohm等企業(yè)能夠量產(chǎn)供應車規(guī)級SiC MOSFET。預計到2026年，這一數(shù)字將增長至22.22億美元（約150億元人民幣），表明氧化鎵在射頻器件市場具有廣闊的應用前景和市場潛力。

電力電子領域的另一項重要應用是48V電池。隨著鋰電池的廣泛使用，可以用更高的電壓系統(tǒng)取代鉛蓄電池12V電壓系統(tǒng)，實現(xiàn)高效、減重、節(jié)能的目的。這些鋰電池系統(tǒng)內將廣泛采用48V電壓，對于電子電力系統(tǒng)來說，需要的是高效率的48V→12V/5V轉換。以二輪電動車市場為例，據(jù)2020年的資料顯示，中國電動兩輪車總體產(chǎn)量為4834萬輛，同比增長27.2%，鋰電滲透率超過16%。面對這樣的市場，氧化鎵、GaN和硅基SG-MOS器件等100V耐壓大電流器件正在瞄準這個應用發(fā)力。

在工業(yè)領域，它有幾大機會和優(yōu)勢，包括單極替換雙極，更高的能效，易于大規(guī)模生產(chǎn)，以及可靠性的需求。這些特性使得氧化鎵在未來的電力應用中可能扮演重要角色。長期來看，氧化鎵的功率器件預計將在650V/1200V/1700V/3300V的市場中發(fā)揮作用，并預計在2025年至2030年將全面滲透車載和電氣設備領域。短期來說，氧化鎵的功率器件將首先在消費電子、家電以及高可靠、高性能的工業(yè)電源等領域出現(xiàn)。它的這些特性可能使其在硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等材料之間形成競爭。


無銥制備氧化鎵，

PK碳化硅的時點即將到來

對于同一種材料，不能“既要便宜，也要性能好”，只能通過開發(fā)新一代材料來突破新的性能和成本瓶頸。氧化鎵的出現(xiàn)讓進化半導體CEO許照原頗為驚喜。一次偶然的機會，讓他開始關注氧化鎵的性能并開始組建團隊進行研發(fā)。

功率半導體應用，主要是圍繞耐壓、電流、功率、損耗、散熱幾個方面進行評估?！皬牟牧咸匦詠砜?，氧化鎵擁有10倍于碳化硅的功率特性優(yōu)勢，但是成本有潛力做到碳化硅的1/10?！痹S照原說，與碳化硅一樣，氧化鎵適用于高功率、大電壓領域。相比碳化硅，氧化鎵在性能和成本上更具優(yōu)勢。

相關數(shù)據(jù)顯示，從同樣基于6英寸襯底的最終器件的成本構成來看，基于氧化鎵材料的器件成本為195美元，約為碳化硅材料器件成本的1/5，與硅基產(chǎn)品的成本所差無幾。此外，氧化鎵的晶圓產(chǎn)線與硅、碳化硅、氮化鎵的差別不大，轉換成本不高。以目前業(yè)界的評估來說，氧化鎵的芯片產(chǎn)線改造難度不大，比如將LED的工廠稍加轉換就可以開始投入生產(chǎn)。

這么好的材料，為什么走出實驗室的速度較慢？談及原因，許照原解釋，因為氧化鎵是在高溫含氧環(huán)境下生長，需要用到耐高溫、耐氧化的材料，制備晶體普遍采用銥金作為坩堝材料，產(chǎn)業(yè)界對采用這種貴金屬才能制備的材料短期內挑戰(zhàn)碳化硅的地位抱有懷疑態(tài)度。

值得注意的是，目前，進化半導體、日本東北大學，都開發(fā)了不使用銥金的“無銥工藝”制備氧化鎵，浙江大學在研發(fā)相比導模法用銥量大幅減少的“少銥工藝”，都在努力嘗試降低氧化鎵成本的創(chuàng)新方法。多點發(fā)力給了產(chǎn)業(yè)界信心，認為氧化鎵與碳化硅競爭的時點即將到來。

作為國內目前唯一采用無銥法工藝制備氧化鎵的公司，許照原表示，進化半導體未來三年將實現(xiàn)氧化鎵襯底的大幅度降價，新工藝有望實現(xiàn)8英寸襯底成本低至500元，僅為同尺寸SiC襯底的1/10。

談及如何制備氧化鎵，目前市面上主要有導模法（EFG法）和無銥法等方法。導模法是當前唯一能制造大尺寸氧化鎵襯底的工藝，但是無法實現(xiàn)低成本大批量的產(chǎn)業(yè)化供應。事實上，盡管導模法為產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出了巨大貢獻，但是這種工藝方法的產(chǎn)業(yè)化遇到了較大的障礙，主要是因為導模法需要用到貴金屬銥（Ir）。在業(yè)界看來，導模法的工藝極限，是可以把氧化鎵襯底成本做到同尺寸碳化硅的50%-60%，按現(xiàn)在的發(fā)展速度，達到產(chǎn)業(yè)鏈成熟、氧化鎵量產(chǎn)應用的時間點大概是10年以后。無銥法則可以大大提速氧化鎵的產(chǎn)業(yè)化進程。

許照原表示，在設備投入僅5%的情況下，同樣時間可以生長一爐次，無銥法制備氧化鎵的產(chǎn)量是EFG法的100倍，大幅度降低長晶環(huán)節(jié)的成本，顯著提升了產(chǎn)能，有機會快速形成市場影響。當然技術逐步成熟還需要努力和沉淀，但可以預見，無銥法有利于提高各環(huán)節(jié)企業(yè)熱情，促進產(chǎn)業(yè)鏈更加完備。