第三代半导体器件刚开始商用，第四代半导体材料研究取得了不少突破

电子发烧友网报道（文/程文智）这几年GaN和SiC等第三代半导体器件的商用化进展还不错，GaN器件在快充上开始大规模应用，SiC器件也在汽车上崭露头角。现在大家对第三代半导体器件的前景非常看好，很多企业也一头扎入了第三代半导体产业当中。

 

就在第三代半导体在商用化之路上高歌凯进的时候，第四代半导体材料也取得了不少进步。不久前，在与2021第十六届“中国芯”集成电路产业促进大会同期举办的“宽禁带半导体助力碳中和发展峰会”上，北京邮电大学电子工程学院执行院长张杰教授分享了《超宽禁带半导体氧化镓材料与器件研究》报告。

图：北京邮电大学电子工程学院执行院长张杰教授在分享氧化镓的研究成果

 

他在报告中表示，氧化镓是被国际普遍关注并认可的第四代半导体材料，是日盲光电器件最佳材料。他介绍了氧化镓材料的优势、发展进程，以及北邮在氧化镓材料研究方面取得的成果。

 

氧化镓材料的优势
 

后摩尔时代，具有先天性能优势的宽禁带半导体材料脱颖而出，将推动电力电子器件提高效率、提高密度、缩小尺寸、减轻重量、降低总成本。而超宽禁带的禁带宽度，决定了耐压值、损耗、功率、频率，以及使用等方面，超宽禁带材料相对于硅基和第三代半导体材料都有优势。

 

第四代半导体比较典型的材料有氧化镓、金刚石等。据张杰教授透露，北欧对氧化镓材料进行了长时间的研究工作。氧化镓半导体材料，是目前国际上普遍关注和认可的下一代超宽禁带代表性材料。

 

目前，对第四代半导体材料的研究和发展，已经进入了国际研究视野。与第三代半导体材料相比，第四代半导体材料在耐压性能、频率性能上又有一些新的提升。而且根据国际上著名出版集团每年对相关研究主题进行论文的学术统计，氧化镓的研究工作进入科睿唯安2021研究前沿物理类，已经得到了研究上的推进。

 

在张杰教授看来，未来氧化镓材料会在电力电子器件的应用上扮演相当重要的角色，因为与SiC材料相比，氧化镓可以将导通电阻降低7倍，损耗降低86%，可以满足功率半导体器件阻断状态可承受高电压；导通状态应具备高电流密度和低导通压降；以及满足开关时间短和损耗低的要求，非常适合电力电子器件的应用。

另外，氧化镓材料的性能也很强大，带隙宽度为4.9eV，击穿场强高达8MV/cm、Baliga优值达到了3214，导通电阻也很低。更为重要的是，一旦批量生产，氧化镓的成本仅为第三代半导体材料成本均值的1/3，它更具成本优势。

 

另外一个氧化镓材料应用，是利用它的超宽禁带的属性制作的光电子器件。也就是主要用于日盲光电器件，即紫外区域，波长短，禁带宽。由于日盲紫外技术在红外紫外双色制导、导弹识别跟踪、舰载通信等国防领域具有重大战略意义。当然，除了国防，该技术在电网安全监测、医学成像、海上搜救、环境与生化检测等民生领域也有很重要的应用。

 

氧化镓才来的发展进展
 

跟氮化镓和碳化硅等第三代半导体材料相比，氧化镓材料的研究水平要相对滞后。目前氧化镓材料还主要停留在试验研究和小批量商业供货阶段。但其前景其实还是很不错的。首先，其元素储量相对丰富，而且性能、能耗和未来成品率方面都算不错。就目前来看，其产业化相对容易。

 

对氧化镓材料的研究日本起步最早，2011年就开始大力发展与氧化镓相关的技术研究了，目前日本的商业化水平也做得最好。美国在2018年也开始了对氧化镓材料的研究。我国对材料的关注也在不断加强，在十四五规划里就将第三代半导体材料作为发展的重点，并且在科技规划里，将超宽禁带半导体材料列入了战略研究布局。2018年我国也启动了包括氧化镓、金刚石、氮化硼等在内的超宽禁带半导体材料的探索和研究。

 

目前在氧化镓方面的研究，日本走在的最前列，日本的田村是世界上首家研发出氧化镓单晶的公司，并进行了UVLED、紫外探测器的研发。张杰教授表示，目前全球只有田村有供给研究用的氧化镓单晶衬底。另根据公开的资料显示，田村在2017年的日本高新技术博览会上推出了氧化镓SBD功率器件。

 

关于氧化镓材料的产业化进展方面，首先需要做材料衬底，单晶制作。目前氧化镓的单晶制备方法有浮区法（FZ）、导模法（EFG）、提拉法（CZ）和垂直布里奇曼法（VB）几种。国际上已经开始了单晶制备方面的研究，但都是做小规模的试验应用。现在有两条路线比较受欢迎，即导模法和提拉法。

 

根据这几年的实践，大家对导模法的成品率比较认可，可以满足商业要求。大部分公司都采用了这一技术路线来制作单晶。田村商业供应的2英寸氧化镓单晶采用的就是该技术。2016年田村还用导模法生产出了6英寸单晶，但是并没有实现批量供货。国内不同的大学和机构也已经在开展相关的研究工作了。2019年底，北邮成功实现了导模法生长3英寸的单晶。

 

制备单晶的最终目的是为了生产各种各样的器件，目前在器件方面也有一些进展了。利用氧化镓材料生产的功率器件将有更高的耐压值，可以超越碳化硅和氮化镓的物理极限。

 

最后，张杰教授还介绍了北邮在氧化镓材料和器件研究方面取得的进展。据他介绍，北邮有一个信息光子学与光通信国家重点实验室，其中一个研究团队，重点做的就是氧化镓材料和器件的研究。负责人是唐为华教授，他在氧化镓领域工作了11年，重点解决了材料高腐蚀性、高挥发性以及易解理、多相共生等材料生长技术难点，满足均匀性非常好的单晶材料。

 

张杰教授表示，该团队不仅研究氧化镓材料和器件，还对氧化镓单晶材料的制备设备进行了研究。目前在器件方面，制作出了氧化镓基日盲紫外探测器分立器件和阵列成像器件；还制作出了氧化镓基肖特基二极管，实现了950V耐压，导通电阻可达2毫欧。未来两三年会制作出氧化镓MOS器件。

 

结语
 

目前，氧化镓材料可能并不是主流市场的商用化材料，但从目前的研究来看，氧化镓材料在大功率、高效率电子器件中，在实验室里，已经展示出非常好的一些性能，所以未来在大规模应用上，氧化镓或许会有不错的应用前景，不过在此之前，还有很多问题需要解决。