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氧化鎵是一種很有前途的材料，可用于制造用于電動(dòng)汽車(chē)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(guó)公司的一個(gè)主要投資者是美國(guó)國(guó)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(yuǎn)高于硅，也超過(guò)了碳化硅和氮化鎵，是一種優(yōu)秀的材料。”美國(guó)、日本、歐洲、韓國(guó)、臺(tái)灣和中國(guó)正在開(kāi)發(fā)氧化鎵晶圓和器件。當(dāng)美國(guó)政府對(duì)氧化鎵的國(guó)家安全影響發(fā)出警告時(shí)，日本正在引領(lǐng)其商業(yè)化。

氧化鎵材料簡(jiǎn)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(gè)瞬態(tài)相κ－GaO，其中β 相為熱力學(xué)穩(wěn)定相。GaO熔點(diǎn)約為1793 ℃，高溫下其他相均轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢璆aO，通過(guò)熔體法只能生長(zhǎng)獲得β－GaO單晶。β－GaO在體塊單晶生長(zhǎng)方面，相對(duì)其他晶相具有明顯優(yōu)勢(shì)。

材料特性

更高的禁帶寬度，晶體禁帶寬度約為4.7eV，遠(yuǎn)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(bǔ)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(shì)明顯。β－GaO與單晶Si、GaAs 類(lèi)似，可以采用熔體法生長(zhǎng)，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(huì)更小。

劣勢(shì)：遷移率低、導(dǎo)熱率低。

制備方法

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

氧化鎵單晶的生長(zhǎng)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(chēng)為邊緣限定薄膜供料生長(zhǎng)法，于20世紀(jì)60年代由英國(guó)的HAROLD和蘇聯(lián)的STEPANOV 相繼提出，該方法實(shí)際上是提拉法的一種變形，其生長(zhǎng)晶體的原理與提拉法類(lèi)似，是一種近尺寸成型生長(zhǎng)晶體技術(shù)，能夠直接從熔體中生長(zhǎng)出所需形狀的晶體毛坯，但其對(duì)模具的材料和設(shè)計(jì)要求較高。

導(dǎo)模法生長(zhǎng)晶體的原理如下圖所示，將內(nèi)部留有毛細(xì)管狹縫的耐熔金屬模具浸入單晶爐的熔體中，熔體通過(guò)毛細(xì)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(kuò)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(guò)提拉機(jī)構(gòu)不斷向上提升籽晶，籽晶經(jīng)過(guò)放肩和等徑生長(zhǎng)完成整個(gè)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(zhǎng)晶體的截面形狀。

與提拉法相比，導(dǎo)模法的優(yōu)點(diǎn)在于其可以實(shí)現(xiàn)定形/定向的晶體生長(zhǎng)，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(zhǎng)速度快，材料利用率高，生產(chǎn)成本低，便于實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)化。導(dǎo)模法已在藍(lán)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(diǎn)在于其對(duì)模具設(shè)備和工藝操作要求較復(fù)雜。

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

與第三代半導(dǎo)體襯底環(huán)節(jié)的對(duì)比

1、  晶片尺寸 

三種材料目前的尺寸基本相當(dāng)，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(duì)會(huì)更小，此處差異忽略不計(jì)）。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(jìn)入市場(chǎng)，未量產(chǎn)暫時(shí)未考慮。

2、設(shè)備投入：（晶體生長(zhǎng)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(wàn)，SiC設(shè)備投入每條產(chǎn)線550萬(wàn)，GaN設(shè)備投入每條產(chǎn)線800萬(wàn)。

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(xiāo)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(xiāo)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(duì)比

SiC、GaN的外延生長(zhǎng)設(shè)備成本就明顯要高出GaO材料數(shù)倍，且因?yàn)橥庋訒r(shí)間較短，升溫、降溫的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際外延生長(zhǎng)時(shí)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(mǎn)足市場(chǎng)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(shí)忽略這種優(yōu)勢(shì)，三種材料在功率芯片加工過(guò)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(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

市場(chǎng)空間 

日本氧化鎵行業(yè)龍頭NCT預(yù)測(cè)氧化鎵晶圓的市場(chǎng)到2030年度將擴(kuò)大到約590億日元（約合4.7億美元）規(guī)模，而從市場(chǎng)調(diào)查公司富士經(jīng)濟(jì)對(duì)寬禁帶功率半導(dǎo)體元件的全球市場(chǎng)預(yù)測(cè)來(lái)看，2030年氧化鎵功率元件的市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)達(dá)到1542億日元（約合12.2億美元），這個(gè)市場(chǎng)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(cè)，氧化鎵比起以往的電子元件更有效率，在晶圓價(jià)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(chǎng)規(guī)模將達(dá)15億美元。

產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀