插图:IEEE,来源:GREGGH.JESSEN等人在2017年第75届年度设备研究会议(DRC)上揭橥“TOWARD REALIZATION OF GA2O3 FOR POWER ELECTRONICS APPLICATIONS”。
与其他宽禁带半导体比较,氧化镓具有使其与商业化生产工艺兼容的多种特性。例如,像硅一样,氧化镓也可以通过离子注入工艺进行掺杂。最主要的是,氧化镓晶圆可以通过商业晶体成长技能制造,例如Czochralski方法,这与GaN不同,GaN必须在硅、SiC或蓝宝石衬底上成长,存在晶格失落配导致破坏的风险。

业界正在研究基于氧化镓的半导体功率器件,例如肖特基势垒二极管和晶体管。其他运用包括深紫外光电探测器。

事实上,氧化镓的首创性研究紧张是在日本进行的,其次是德国和美国。2012年,日本国家信息通信技能研究所(NICT)的Masataka Higashiwaki率先利用最稳定的β-氧化镓晶系统编制作了氧化镓晶体管,该器件被称为金属半导体场效应晶体管。
同时,日本国家材料科学研究所和德国莱布尼茨研究所(IKZ)也主导了β-氧化镓的研究。2015年,NICT和Tamura共同创立了公司Novel Crystal Technology(NCT),成功展示了150mm β-氧化镓晶圆。据宣布,NCT与2011年从京都大学分离出来的公司FLOSFIA是天下上能够批量生产Ga2O3材料和组件的两家公司之一,确立了日本在这一新兴领域的主导地位。
“第一个利用氧化镓的功率器件将是肖特基势垒二极管(SBD)。我们正在开拓SBD,目标是在2022年开始发卖,”NCT公司高管兼发卖高等经理Takekazu Masui说。NCT还在开拓基于该技能的高压垂直晶体管。NCT已经战胜了氧化镓的一些寻衅。“关于热导率,NCT已经证明,通过像其他半导体一样使元件更薄,可以得到可以投入实际利用的热阻。NCT正在开拓两种p型方法。一种是制作氧化镓p型,另一种是利用氧化镍、氧化铜等其他氧化物半导体作为p型材料。
美国也在该领域进行了研究。在NICT的成功根本上,美国空军研究实验室(AFRL)在氧化镓研究方面取得了一些里程碑式的造诣,包括展示了制造常关FET的可能性,只管氧化镓中缺少p型载流子,这是一个紧张障碍行业面临。然而,AFRL也从Tamura购买基板,并从NCT和IKZ采购外延片。
中国的氧化镓研究进程在中国,氧化镓的研究已经进行了十年,近几年也已经有所打破。中国科学院院士郝跃在接管采访时明确指出,氧化镓材料是最有可能在未来大放异彩的材料之一,在未来的10年旁边,氧化镓器件有可能成为有竞争力的电力电子器件,会直接与碳化硅器件竞争。
2022年5月,浙大杭州科创中央宣告该中央前辈半导体研究院发明了全新的熔体法技能路线来研制氧化镓体块单晶以及晶圆,目前已经成功制备直径2英寸(50.8mm)的氧化镓晶圆。2022年6月,中国科大微电子学院龙世兵教授课题组两篇论文入选第34届功率半导体器件和集成电路国际会议(ISPSD),在高耐压氧化镓二极管和增强型氧化镓场效应晶体管两个课题取得打破。海内研究氧化镓的机构和高校还包括西安电子科技大学、上海光机所、上海微系统所、复旦大学、南京大学、山东大学等。中国电子科技集团公司46所成功制作出海内第一块100mm单晶氧化镓晶圆。
同时,也有专注于氧化镓的初创公司也涌现,例如北京邮电大学的唐为华老师从2011年以来致力于氧化镓材料及器件形成科研成果的家当化平台北京镓族科技;中国科学院上海光学精密机器研究所与杭州市富阳区政府共建的“硬科技”家当化平台——杭州光机所孵化的科技型企业,杭州富加镓业。
有剖析师预测,到2030年,氧化镓功率半导体市场规模将达15亿美元。2017年9月,氧化镓被科技部高新司列入重点研发操持;2018年3月,北京市科委率先开展了前沿新材料的研究,把氧化镓列为重点项目。此外,安徽等省/市也在“十四五”科技创新方案公布的集成电路重大专项中提出,研发氧化镓等宽禁带半导体材料、工艺、器件及芯片。
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