在過(guò)去的十年中，氧化鎵的技術(shù)發(fā)展迅速，將其推向半導(dǎo)體技術(shù)的前沿。主要的目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域是電力電子，其中氧化鎵的固有材料特性 - 高臨界場(chǎng)強(qiáng)，廣泛可調(diào)的導(dǎo)電性，低遷移率和基于熔體的體積增長(zhǎng) - 有望以低成本提供所需的高性能。

為了最大限度地發(fā)揮新型半導(dǎo)體技術(shù)的潛力，業(yè)界必須齊心協(xié)力解決阻礙性能的技術(shù)障礙。自2016年以來(lái)，超寬帶隙半導(dǎo)體領(lǐng)域取得了重大技術(shù)進(jìn)步，當(dāng)時(shí)京都大學(xué)專門(mén)從事氧化鎵薄膜研發(fā)和商業(yè)化的衍生公司Flosfia得出結(jié)論，氧化鎵值得開(kāi)發(fā)。

半導(dǎo)體行業(yè)正越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向由碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙材料制成的器件。由于其成本高，開(kāi)發(fā)一種用于電力電子元件的新材料的研究提出了一種超寬帶隙材料，稱為β-氧化鎵（β-Ga2O3）。與過(guò)去基于結(jié)的設(shè)計(jì)方法相比，該材料更加關(guān)注材料研究，以提高電力電子器件的整體性能。β-GA2O3以其獨(dú)特的固有特性脫穎而出，如5eV的超高帶隙，良好的導(dǎo)電性和磁場(chǎng)保持能力，有史以來(lái)最高的高臨界場(chǎng)強(qiáng)5.5MV/ m等。

圖1：截至2021年10月各行業(yè)邁向β-Ga2O3商業(yè)化的技術(shù)進(jìn)展頂層視圖

以不同的方式加工材料可以產(chǎn)生各種特性，證明其靈活性。例如，從熔體中摻雜材料會(huì)導(dǎo)致電阻率為10mΩcm，而硅注入可以進(jìn)一步將其降低到1mΩcm。材料上的鹵化物蒸氣外延可以控制在1015到1019厘米-3的摻雜濃度范圍內(nèi)。在材料上制造標(biāo)準(zhǔn)特征也相對(duì)容易。例如，歐姆和肖特基觸點(diǎn)可以在相對(duì)較低的退火溫度下使用鈦、鋁和鎳等標(biāo)準(zhǔn)金屬制成。材料的晶圓化和研磨可以使用標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)工具完成。不同的介電材料，如AL2O3沉積采用原子層沉積法，可用作柵極電介質(zhì)。

氧化鎵的性質(zhì)

β-Ga2O3相對(duì)較低的遷移率使其能夠表現(xiàn)出比SiC和GaN更好的性能。從熔體中生長(zhǎng)的材料的特性使得以低于塊狀氮化鎵、碳化硅和金剛石的成本制造高質(zhì)量晶體成為可能。β-Ga2O3晶體管品質(zhì)因數(shù)比4H-SiC好約3倍，比GaN好20%。與現(xiàn)有的寬帶隙材料相比，這些優(yōu)勢(shì)使β-Ga2O3作為一種可行且低成本的替代方案處于領(lǐng)先地位，具有更高的性能。然而，目前存在阻礙其大規(guī)模商業(yè)化的挑戰(zhàn)。

在材料特性方面，β-Ga2O3具有非常低的導(dǎo)熱系數(shù)，阻礙了高效傳熱，這是電力電子器件的一個(gè)關(guān)鍵方面。實(shí)現(xiàn)薄芯片將成為提高β-Ga2O3導(dǎo)熱性努力的一個(gè)組成部分，這將補(bǔ)充為這些器件開(kāi)發(fā)更好的散熱技術(shù)的努力。該材料具有平坦的價(jià)帶，導(dǎo)致空穴傳輸可以忽略不計(jì)，這意味著缺乏p型。這可以防止形成任何雪崩的p-n結(jié)，這對(duì)于部署在具有嘈雜電源的區(qū)域或需要快速接管大感性負(fù)載的應(yīng)用（如UPS）的設(shè)備來(lái)說(shuō)是一個(gè)問(wèn)題。器件的額定值及其可靠性受到芯片邊緣電場(chǎng)的影響，即管理不善會(huì)導(dǎo)致性能和可靠性下降，而缺少p型可能會(huì)使問(wèn)題惡化。缺少p型也對(duì)增強(qiáng)模式晶體管的設(shè)計(jì)施加了限制。正在研究各種芯片端接方法，例如坡口端接和使用p型氧化物的端接。然而，目前緩解這一問(wèn)題的解決方案涉及嚴(yán)格的過(guò)程控制，這對(duì)其可行性產(chǎn)生了懷疑。

圖2：典型的半導(dǎo)體晶圓

減小晶圓尺寸也是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)檩^大的晶圓尺寸可以幫助降低制造工藝的成本，同時(shí)提高晶體質(zhì)量，降低缺陷率等。目前制造β-Ga2O3器件的最大晶圓尺寸為100mm，而行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為150mm，越來(lái)越多的公司正朝著20mm尺寸發(fā)展。制造β-GA2O3還必須朝著這些晶圓尺寸發(fā)展，以便能夠利用現(xiàn)有的先進(jìn)制造基礎(chǔ)設(shè)施。此外，由β-Ga2O3制成的器件沒(méi)有任何關(guān)于其可靠性的數(shù)據(jù)，這方面的任何研究都處于起步階段。

還有一些經(jīng)濟(jì)因素需要解決，例如在β-Ga2O3的批量生產(chǎn)過(guò)程中，昂貴的稀有金屬坩堝的某些部件的損失（在邊緣的薄膜進(jìn)料生長(zhǎng)（EFG）和Czochralski（CZ），銥等制造方法的情況下）晶體。根據(jù)其它半導(dǎo)體材料的最新技術(shù)的要求增加基板的尺寸往往會(huì)使問(wèn)題惡化并加速這些坩堝的失效。據(jù)報(bào)道，中國(guó)的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出可以幫助緩解這種情況的方法，進(jìn)一步將制造過(guò)程的成本降低約10倍。這項(xiàng)技術(shù)的大規(guī)模實(shí)施還有待觀察。適用于垂直β-Ga2O3外延層生長(zhǎng)的設(shè)備需要最先進(jìn)的機(jī)器上不存在的技術(shù)。

對(duì)使用β-Ga2O3制造的器件的設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)和商業(yè)化投入了大量興趣和研究。。這種興趣是制造基板技術(shù)令人印象深刻的增長(zhǎng)的原因，因?yàn)楣菊谧呦蛏虡I(yè)化。盡管已經(jīng)有許多器件演示，但由于前面提到的挑戰(zhàn)，許多優(yōu)化尚未完成，這阻礙了器件的大規(guī)模生產(chǎn)。材料的大量可用性將在加速器件開(kāi)發(fā)方面發(fā)揮重要作用，因?yàn)椴牧系目捎眯允且肫骷南葲Q條件。β-GA2O3技術(shù)在其成熟過(guò)程中已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻，材料很容易獲得，并且阻礙其在器件中使用的挑戰(zhàn)是眾所周知的，并有據(jù)可查。剩下的就是齊心協(xié)力扎根，成功開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)上可行的大規(guī)模制造技術(shù)，并制造具有高可靠性并充分利用材料優(yōu)勢(shì)的器件。

審核編輯 ：李倩