電子發(fā)燒友網(wǎng)報道(文/程文智)這幾年GaN和SiC等第三代半導體器件的商用化進展還不錯,GaN器件在快充上開始大規(guī)模應用,SiC器件也在汽車上嶄露頭角。現(xiàn)在大家對第三代半導體器件的前景非常看好,很多企業(yè)也一頭扎入了第三代半導體產(chǎn)業(yè)當中。
就在第三代半導體在商用化之路上高歌凱進的時候,第四代半導體材料也取得了不少進步。不久前,在與2021第十六屆“中國芯”集成電路產(chǎn)業(yè)促進大會同期舉辦的“寬禁帶半導體助力碳中和發(fā)展峰會”上,北京郵電大學電子工程學院執(zhí)行院長張杰教授分享了《超寬禁帶半導體氧化鎵材料與器件研究》報告。

圖:北京郵電大學電子工程學院執(zhí)行院長張杰教授在分享氧化鎵的研究成果
他在報告中表示,氧化鎵是被國際普遍關注并認可的第四代半導體材料,是日盲光電器件最佳材料。他介紹了氧化鎵材料的優(yōu)勢、發(fā)展進程,以及北郵在氧化鎵材料研究方面取得的成果。
氧化鎵材料的優(yōu)勢
后摩爾時代,具有先天性能優(yōu)勢的寬禁帶半導體材料脫穎而出,將推動電力電子器件提高效率、提高密度、縮小尺寸、減輕重量、降低總成本。而超寬禁帶的禁帶寬度,決定了耐壓值、損耗、功率、頻率,以及使用等方面,超寬禁帶材料相對于硅基和第三代半導體材料都有優(yōu)勢。
第四代半導體比較典型的材料有氧化鎵、金剛石等。據(jù)張杰教授透露,北歐對氧化鎵材料進行了長時間的研究工作。氧化鎵半導體材料,是目前國際上普遍關注和認可的下一代超寬禁帶代表性材料。
目前,對第四代半導體材料的研究和發(fā)展,已經(jīng)進入了國際研究視野。與第三代半導體材料相比,第四代半導體材料在耐壓性能、頻率性能上又有一些新的提升。而且根據(jù)國際上著名出版集團每年對相關研究主題進行論文的學術統(tǒng)計,氧化鎵的研究工作進入科睿唯安2021研究前沿物理類,已經(jīng)得到了研究上的推進。

在張杰教授看來,未來氧化鎵材料會在電力電子器件的應用上扮演相當重要的角色,因為與SiC材料相比,氧化鎵可以將導通電阻降低7倍,損耗降低86%,可以滿足功率半導體器件阻斷狀態(tài)可承受高電壓;導通狀態(tài)應具備高電流密度和低導通壓降;以及滿足開關時間短和損耗低的要求,非常適合電力電子器件的應用。

另外,氧化鎵材料的性能也很強大,帶隙寬度為4.9eV,擊穿場強高達8MV/cm、Baliga優(yōu)值達到了3214,導通電阻也很低。更為重要的是,一旦批量生產(chǎn),氧化鎵的成本僅為第三代半導體材料成本均值的1/3,它更具成本優(yōu)勢。

另外一個氧化鎵材料應用,是利用它的超寬禁帶的屬性制作的光電子器件。也就是主要用于日盲光電器件,即紫外區(qū)域,波長短,禁帶寬。由于日盲紫外技術在紅外紫外雙色制導、導彈識別跟蹤、艦載通信等國防領域具有重大戰(zhàn)略意義。當然,除了國防,該技術在電網(wǎng)安全監(jiān)測、醫(yī)學成像、海上搜救、環(huán)境與生化檢測等民生領域也有很重要的應用。
氧化鎵才來的發(fā)展進展
跟氮化鎵和碳化硅等第三代半導體材料相比,氧化鎵材料的研究水平要相對滯后。目前氧化鎵材料還主要停留在試驗研究和小批量商業(yè)供貨階段。但其前景其實還是很不錯的。首先,其元素儲量相對豐富,而且性能、能耗和未來成品率方面都算不錯。就目前來看,其產(chǎn)業(yè)化相對容易。

對氧化鎵材料的研究日本起步最早,2011年就開始大力發(fā)展與氧化鎵相關的技術研究了,目前日本的商業(yè)化水平也做得最好。美國在2018年也開始了對氧化鎵材料的研究。我國對材料的關注也在不斷加強,在十四五規(guī)劃里就將第三代半導體材料作為發(fā)展的重點,并且在科技規(guī)劃里,將超寬禁帶半導體材料列入了戰(zhàn)略研究布局。2018年我國也啟動了包括氧化鎵、金剛石、氮化硼等在內(nèi)的超寬禁帶半導體材料的探索和研究。
目前在氧化鎵方面的研究,日本走在的最前列,日本的田村是世界上首家研發(fā)出氧化鎵單晶的公司,并進行了UVLED、紫外探測器的研發(fā)。張杰教授表示,目前全球只有田村有供給研究用的氧化鎵單晶襯底。另根據(jù)公開的資料顯示,田村在2017年的日本高新技術博覽會上推出了氧化鎵SBD功率器件。

關于氧化鎵材料的產(chǎn)業(yè)化進展方面,首先需要做材料襯底,單晶制作。目前氧化鎵的單晶制備方法有浮區(qū)法(FZ)、導模法(EFG)、提拉法(CZ)和垂直布里奇曼法(VB)幾種。國際上已經(jīng)開始了單晶制備方面的研究,但都是做小規(guī)模的試驗應用。現(xiàn)在有兩條路線比較受歡迎,即導模法和提拉法。
根據(jù)這幾年的實踐,大家對導模法的成品率比較認可,可以滿足商業(yè)要求。大部分公司都采用了這一技術路線來制作單晶。田村商業(yè)供應的2英寸氧化鎵單晶采用的就是該技術。2016年田村還用導模法生產(chǎn)出了6英寸單晶,但是并沒有實現(xiàn)批量供貨。國內(nèi)不同的大學和機構也已經(jīng)在開展相關的研究工作了。2019年底,北郵成功實現(xiàn)了導模法生長3英寸的單晶。

制備單晶的最終目的是為了生產(chǎn)各種各樣的器件,目前在器件方面也有一些進展了。利用氧化鎵材料生產(chǎn)的功率器件將有更高的耐壓值,可以超越碳化硅和氮化鎵的物理極限。
最后,張杰教授還介紹了北郵在氧化鎵材料和器件研究方面取得的進展。據(jù)他介紹,北郵有一個信息光子學與光通信國家重點實驗室,其中一個研究團隊,重點做的就是氧化鎵材料和器件的研究。負責人是唐為華教授,他在氧化鎵領域工作了11年,重點解決了材料高腐蝕性、高揮發(fā)性以及易解理、多相共生等材料生長技術難點,滿足均勻性非常好的單晶材料。
張杰教授表示,該團隊不僅研究氧化鎵材料和器件,還對氧化鎵單晶材料的制備設備進行了研究。目前在器件方面,制作出了氧化鎵基日盲紫外探測器分立器件和陣列成像器件;還制作出了氧化鎵基肖特基二極管,實現(xiàn)了950V耐壓,導通電阻可達2毫歐。未來兩三年會制作出氧化鎵MOS器件。
結語
目前,氧化鎵材料可能并不是主流市場的商用化材料,但從目前的研究來看,氧化鎵材料在大功率、高效率電子器件中,在實驗室里,已經(jīng)展示出非常好的一些性能,所以未來在大規(guī)模應用上,氧化鎵或許會有不錯的應用前景,不過在此之前,還有很多問題需要解決。
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