失效分析 赵工 半导体工程师 2022-07-28 09:56 发表于北京
作为一种新兴的超宽带隙导体，氧化镓拥有4.9~5.3eV的超大带隙。作为对比，SiC和GaN的带隙为3.3eV，而硅则仅有1.1eV，那就让这种新材料拥有更高的功率特性以及深紫外光电特性，再加上其热稳定性以及人工晶体衬底低成本合成，让开发者可以有望基于此开发出小型化，高效的、性价比优良的超大功率晶体管。这也许是为什么在以SiC和GaN为代表的宽带隙（WBG）半导体器件方面取得了巨大进步的时候，Ga2O3仍然吸引了开发者广泛兴趣的原因。
而在这方面，日本则相对处于领先地位。
早在2012 年，日本Novel Crystal Technology（下简称“NCT”）公司就实现了 2 英吋氧化镓晶体和外延的突破；2014 年，日本NCT实现 2 英吋氧化镓材料的批量产业化；2017 年，日本 FLOSFIA 实现了低成本亚稳态氧化镓（α相）材料的突破；2018 年，日本NCT实现了 4 英吋氧化镓材料的突破，日本 FLOSFIA 实现了α相氧化镓外延材料的批量化生产，2019 年日本田村实现 4 英吋氧化镓的批量产业化，同年 2019 年，日本田村实现 6 英吋氧化镓材料的突破；其中晶体原坯的厚度也是由 5mm 向 25mm 实现突破。
日本氧化镓的新进展
近日，据eetJP的报道，FLOSFIA是京都大学的一家开发氧化镓（Ga2O3）功率器件的风险公司，预计将于2022年开始批量生产SBD（肖特基势垒二极管）。
该公司在“TECHNO-FRONTIER 2022”（2022 年 7 月 20 日至 22 日 / Tokyo Big Sight）上展出，并展出了配备了使用氧化镓的 SBD“GaO SBD”的评估板。GaO SBD 的最大额定电压为 600V，正向电流 (I f ) 为 10A。“首先，我们的目标是几百瓦的电源。：FLOSFIA 功率器件事业部总经理 Takuto Ikawa 表示。“过去一年，我们继续发送 GaO SBD 样品，并获得了积极评价。”Takuto Ikawa 接着说。
展台上，除了FLOSFIA评估板外，还展出了搭载Wakoken制造的GaO SBD的DC-DC转换器。这个意义很大。“如果没有市场采用记录，像 GaO SBD 这样的新设备很难传播，”Ikawa 解释说。因此，如果有一家公司雇用或介绍了一家公司，那么雇用案件的数量可能会因此增加。“我希望能够在一年后的展会上展示带有 GaO SBD 的最终产品，”Ikawa 说。
FLOSFIA 的氧化镓功率器件使用一种称为α-Ga2O3的材料。氧化镓具有不同晶形的β-Ga2O3，结构更稳定。然而，由于α型在带隙等特性方面优越（Si的带隙值(eV) 为1.1，SiC为3.3， Ga2O3为5.3 。这个5.3是一个α型数值，对于β型来说略低一些），FLOSFIA专注于α-Ga2O3的开发。FLOSFIA拥有独特的成膜技术“雾干法”，可以生产出稳定且具有优异特性的α-Ga2O3。“在这一点上，除了我们的雾干法之外，很难生产稳定的α型氧化镓，”Ikawa先生解释道。
尽管氧化镓功率器件仍处于功率器件市场的早期阶段，“许多研究成果已在学术团体等上公布。但其中大部分以β-Ga2O3“从这个意义上说，α型是最接近实际用途的功率器件，”他说。
今年年初，日本从事半导体研发的Novel Crystal Technology（NCT，埼玉县狭山市）发布消息称，该公司与日本酸素控股旗下的大阳日酸、东京农工大学一起，成功实现了氧化镓功率半导体的6英吋成膜。由于可在较大晶圆上成膜，估计可大幅削减晶圆生产成本。氧化镓功率半导体被期待帮助纯电动汽车（EV）等减少电力消耗。
这是作为日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的战略项目实现的研发。大阳日酸和东京农工大学开发了可按6英吋晶圆进行成膜的装置。
以往的技术只能在最大4英吋晶圆上成膜，NCT在世界上首次实现6英吋的成膜。有助于削减生产成本，有望把成本降到「碳化矽（SiC）功率半导体的三分之一」（NCT相关人员）。
据NCT预测，氧化镓晶圆的市场到2030年度将扩大到约590亿日元规模。该公司的目标是在确立晶圆量产技术后，2024年度销售晶圆的量产装置。将销售给大型功率半导体厂商，用于实现纯电动汽车等的节能。
同样是在今年上半年，源自日本东北大学的初创企业C&A与东北大学教授吉川彰的研发团队开发出一种技术，能以此前100分之1的成本制造有助于节能的新一代功率半导体的原材料“氧化镓”。新技术不需要昂贵的设备，成品率也将提高。计划在2年内制造出实用化所需的大尺寸结晶。
研发团队开发出了通过直接加热原料来制造氧化镓结晶的设备，制造出了最大约5厘米的结晶。将原料装入用水冷却的铜质容器，利用频率达到此前约100倍的电磁波，使原料熔化。
传统方法是加热使用贵金属铱制造的容器，熔化其中的材料，制造结晶。要制造直径约15厘米的实用性结晶，仅容器就需要3000万～5000万日元，还存在结晶的质量不够稳定等课题。
据称由于不需要昂贵的容器等原因，利用新方法能以目前约100分之1的成本制造氧化镓结晶。力争在2年内制造出直径15厘米以上的结晶。
现在的功率半导体主要把硅用于基板，但课题是会产生电力损耗。氧化镓与碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等一起，作为新一代材料受到期待。据称氧化镓的电力损耗在理论上仅为硅的约3400分之1、碳化硅的约10分之1。
如果纯电动汽车（EV）的马达驱动用电源采用氧化镓制的功率半导体，就算电池容量相同，也能行驶更远距离。C&A和东北大学的团队将利用新方法降低此前成为瓶颈的生产成本，推动实用化。
据日本富士经济的统计显示，2016 年，氧化镓在日本市场的销售情况大概为 5 亿日元，在2020、2025、2030三个节点时间，氧化镓的市场也将会有数百倍的明显增长趋势。根据他们的观点，这种新材料的增长幅度低于发展20 多年的 SiC 材料，但是高于衬底材料还没有得到较好解决的GaN。
氧化镓正在逐渐成为半导体材料界一颗冉冉升起的新星。
来源：旺材芯片
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