第三代功率器件材料，氧化镓

 

一、氧化镓（Ga2O3）的特性和性能

近年来，氧化镓 (Ga2O3) 作为继碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 之后的第三代功率器件材料越来越受到关注。氧化镓是最初研究用于LED基板等的材料。带隙（价带中的电子与导带中的电子之间的能量差）为 5.3 eV。因此，它不仅远超广泛应用于半导体的硅（1.1eV），也远超作为宽禁带半导体而备受瞩目的SiC（3.3eV）和GaN（3.4eV）。当带隙大时，介质击穿电场强度和饱和漂移速度变高，有可能提高耐压，降低损耗，提高开关速度，最终缩小器件尺寸。通过使用氧化镓，理论上可以制造出比碳化硅或氮化镓更低损耗的功率器件，因此作为下一代功率器件材料备受期待。此外，氧化镓可以从溶剂中生长出块状单晶。因此，与通过升华法气相生长以制造晶片的 SiC 与在硅蓝宝石衬底上外延生长以制造晶片的 GaN 相比，未来氧化镓可以降低晶片制造成本。是一种可能性。由于具有上述特性，氧化镓功率器件在性能和成本方面都具有优越性，因此正在积极推动研究和开发。

二、氧化镓功率器件市场预测

市场研究公司富士经济在2020年6月发布的全球功率半导体调查结果中预测，截至2030年氧化镓功率器件的市场规模将达到590亿日元。

同年GaN功率器件市场规模预测为232亿日元，预计氧化镓功率器件市场规模将达到GaN的2.5倍左右。

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预计氧化镓将逐步应用于工业应用等高耐压领域，首先在消费和电信领域作为电源使用，并将在车载和电气设备领域全面展开2025年至2030年将开始全面。

三、氧化镓的研发趋势

日本Novel Crystal Technology、FLOSFIA等公司在氧化镓的研发方面处于领先地位。是基于田村株式会社、NICT（国立信息通信技术研究所）、东京农工大学等领导的研究人员的开发成果而成立的风险企业。 2015年开发β型氧化镓外延片，2017年开始量产2英寸β型氧化镓外延片，同时采用氧化镓SBD（肖特基势垒二极管）和氧化镓外延膜的沟槽MOS型成功在开发功率晶体管。除了2英寸外延片，它还销售4英寸β型单晶衬底，同时也在开发6英寸衬底。未来，除了提升4英寸外延片品质，启动量产线外，计划于2022年开始量产氧化镓SBD。Novell Crystal Technology 制造的带有肖特基电极的氧化镓 2 英寸外延片。

氧化鎵基板

除了功率器件，NICT 于 2020 年 12 月宣布已开发出用于无线通信的高频氧化镓晶体管。最大振荡频率已达到27GHz，据公告称，这是全球氧化镓晶体管最高的。在无线通信中，需要的最大振荡频率至少是实际使用频率的 2 至 3 倍。这次的氧化镓晶体管将提供1至10 GHz的频率，广泛应用于卫星广播、手机、无线局域网等。与功率器件不同，在无线通信应用中对氧化镓晶体管的研究很少。一方面，由于氧化镓晶体管具有耐高温、抗辐射、抗腐蚀等特性，因此通过使用该晶体管，即使在极端环境下也可以使用无线通信设备。未来，除极端环境外，有望应用于太空和地下资源勘探等领域的无线通信。