中國粉體網訊 時至今日，以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導體材料得到了極大地關注，它們在較大功率、高溫、高壓應用領域所發揮的作用也不是傳統的硅器件所能比較的。尤其是伴隨著新能源、5G等新興高科技領域對高性能半導體材料的要求日益嚴格，第三代半導體材料注定會進一步大放異彩。
除了碳化硅和氮化鎵，近年來，氧化鎵(Ga2O3)也再一次走入了人們的視野，并憑借比SiC和GaN更寬的禁帶，又成為了眾多研究者的研究重點。
氧化鎵為什么至今才被重視
氧化鎵走入大家的視野，為什么要強調“再一次”呢？
實際上，氧化鎵在半導體領域的應用并不是一項嶄新的技術，在很多年前就有人對其展開了大量的研究，但這種材料原本不是用于功率元件的，最初是計劃用于LED（發光二極管）基板等而進行研發的。
但是這些用途的研發與應用規模較小，它的一些“特異功能”似乎有些超前，并無用武之地，再加上它的技術難度高以及散熱方面問題突出，在當時看來顯然不如開發碳化硅、氮化鎵等更具有性價比。
俗話說，三十年河東三十年河西。而隨著應用需求的發展愈加明朗，未來對高功率器件的性能要求越來越高，尤其是對超寬禁帶半導體材料的迫切需求，這使得人們更深切地看到了氧化鎵的優勢和前景，相應的研發工作又多了起來，已成為美國、日本、德國等國家的研究熱點和競爭重點。
氧化鎵的性能優勢
Ga2O3是金屬鎵的氧化物，同時也是一種半導體化合物。其結晶形態截至目前已確認有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β結構最穩定。與Ga2O3的結晶生長及物性相關的研究大部分圍繞β結構展開。研究人員曾試制了金屬半導體場效應晶體管，盡管屬于未形成保護膜鈍化膜的簡單結構，但是樣品已經顯示出耐壓高、泄漏電流小的特性。在使用碳化硅和氮化鎵制造相同結構的元件時，通常難以達到這些樣品的指標。
表1：幾種半導體材料性能比較
比較了一下“定量評價功率元件理論性能的指數（性能指數）”，氧化鎵是硅的3000倍，是碳化硅的6倍，是氮化鎵的3倍。
具體來看，β-Ga2O3的帶隙很大，達到4.8eV，這一數值為Si的4倍多，而且也超過了SiC的3.3eV及GaN的3.4eV。一般情況下，帶隙大的話，擊穿電場強度也會很大。β-Ga2O3的擊穿電場強度估計為8MV/cm左右，達到Si的20多倍，相當于SiC及GaN的2倍以上。
氧化鎵半導體的價格優勢
除了材料性能優異如帶隙比碳化硅和氮化鎵大，利用Ga2O3作為半導體材料的主要原因是其生產成本較低。
功率元件與一般的半導體元件相比，晶圓占據了元件的較大一部分生產成本。晶圓成本（每單位面積）最低的是硅，每平方厘米的晶圓成本不足100日元（約人民幣6元）。
而碳化硅晶圓的成本（每平方厘米）為1500多日元（約人民幣90元），據說氮化鎵的成本會超過4萬日元（約人民幣2400元）。分別是硅的15倍、400倍。
隨著氧化鎵晶體生長技術的突破性進展，氧化稼和藍寶石一樣，可以從溶液狀態轉化成塊狀（Bulk）單結晶狀態。可以通過運用與藍寶石晶圓生產技術相同的EFG（Edge-defined Film-fed Growth）方法，做出氧化鎵晶圓，成熟的生產工藝會大幅度降低生產成本。
氧化鎵半導體的劣勢
目前氧化鎵作為半導體材料面臨的主要問題是，氧化鎵的低熱導率，這在上表中也有所體現，它的熱導率僅有0.14W/cm·k。解決辦法有兩種：熱傳遞自器件溝道往下到通過鍵合技術所得的高熱導率金剛石或AlN襯底以及自溝道往上至器件鈍化層頂部高熱導率金屬熱沉。P型摻雜依然是一個巨大的挑戰，但從器件角度來看可采用單極器件。其他挑戰還包括研制出具有低缺陷密度高可靠的柵介質、更低阻值的歐姆接觸、更有效的終端技術比如場版和金屬環用來提高擊穿電場、更低缺陷密度及更耐壓的Ga2O3外延層以及更大更便宜的單晶襯底。在充分考慮并解決了不局限于上述問題，氧化鎵功率器件的明天便會大放光彩，為高效能功率器件的選擇提供新的方案。
氧化鎵半導體的市場前景
因為擁有如此多的優勢，氧化鎵被看作一個比氮化鎵擁有更廣闊前景的技術。
據市場調查公司--富士經濟于2019年6月5日公布的Wide Gap 功率半導體元件的全球市場預測來看，2030年氧化鎵功率元件的市場規模將會達到1542億日元（約人民幣92.76億元），這個市場規模要比氮化鎵功率元件的規模（1085億日元，約人民幣65.1億元）還要大！
氧化鎵半導體的應用發展趨勢
氧化鎵作為一種新興的功率半導體材料，其禁帶寬度大于硅，氮化鎵和碳化硅，在高功率應用領域的應用優勢愈加明顯。但這并不意味著氧化鎵一定會取代SiC和GaN，后兩者可能仍是硅之后的下一代主要半導體材料，他們會在不同的半導體領域發揮自己的獨特優勢。
氧化鎵更有可能在擴展超寬禁帶系統可用的功率和電壓范圍方面發揮作用。而最有希望的應用可能是電力調節和配電系統中的高壓整流器，如電動汽車和光伏太陽能系統。但在這之前，仍有很多工作要做。
參考來源：
[1]董林鵬.氧化鎵材料特性及光電探測器研究
[2]日本半導體的一張王牌.半導體觀察
[3]功率半導體氧化鎵到底是什么.電子產品世界
[4]郝躍院士談氧化鎵：致力于提供更高效的生活.半導體學報
（中國粉體網編輯整理/山川）
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