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近兩年來，氧化鎵作為一種“超寬禁帶半導(dǎo)體”材料，得到了持續(xù)關(guān)注。超寬禁帶半導(dǎo)體也屬于“第四代半導(dǎo)體”，與第三代半導(dǎo)體碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)相比，氧化鎵的禁帶寬度達(dá)到了4.9eV，高于碳化硅的3.2eV和氮化鎵的3.39eV，更寬的禁帶寬度意味著電子需要更多的能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，因此氧化鎵具有耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻照等特性。并且，在同等規(guī)格下，寬禁帶材料可以制造die size更小、功率密度更高的器件，節(jié)省配套散熱和晶圓面積，進(jìn)一步降低成本。

所以，雖然第一、二、三、四代半導(dǎo)體材料各有利弊，在特定的應(yīng)用場景中存在各自的比較優(yōu)勢，但不可否認(rèn)的是，中國在第一、二乃至如今的第三代半導(dǎo)體的發(fā)展中，無論是在宏觀層面的市場份額、企業(yè)占位還是在微觀層面的制備工藝、器件制造等方面，中國與世界領(lǐng)先水平之間都存在著明顯的差距。

國內(nèi)可能并且走在世界前沿的半導(dǎo)體材料或者能讓中國在半導(dǎo)體行業(yè)實(shí)現(xiàn)彎道超車并以此為契機(jī)助力中國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的機(jī)會(huì)應(yīng)該是對新型材料的研究與開拓，比如應(yīng)用場景廣泛、波及行業(yè)眾多、產(chǎn)業(yè)占位靠前的在功率、射頻等方面可以大放異彩的氧化鎵材料；其具備制備成本較低、相對環(huán)保、性價(jià)比更高、材料屬性優(yōu)勢明顯、工藝制造精妙但成本相對較低優(yōu)勢等特點(diǎn)。

目前，國內(nèi)對于新型材料的研究仍處于開拓期，但也不乏如今有很多企業(yè)、高校或是一些研究院仍在這個(gè)方向不懈努力著。所以，應(yīng)一高校研究生朋友的渴求，本章節(jié)主要跟大家分享的是：第四代半導(dǎo)體材料——氧化鎵的材料屬性優(yōu)勢、制備工藝流程和具體應(yīng)用場景等等進(jìn)行介紹。

一、氧化鎵材料的概述

大家都知道：第一代半導(dǎo)體指硅(Si)、鍺(Ge)等元素半導(dǎo)體材料；第二代半導(dǎo)體指砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等具有較高遷移率的半導(dǎo)體材料；第三代半導(dǎo)體指碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導(dǎo)體材料；第四代半導(dǎo)體指氧化鎵、金剛石(C)、氮化鋁(AlN)等超寬禁帶半導(dǎo)體材料，以及銻化鎵(GaSb)、銻化銦(InSb)等超窄禁帶半導(dǎo)體材料。

第四代超寬禁帶材料在應(yīng)用方面與第三代半導(dǎo)體材料有交疊，主要在功率器件領(lǐng)域有更突出的應(yīng)用優(yōu)勢。第四代超窄禁帶材料的電子容易被激發(fā)躍遷、遷移率高，主要應(yīng)用于紅外探測、激光器等領(lǐng)域。第四代半導(dǎo)體全部在我國科技部的“戰(zhàn)略性電子材料”名單中，很多規(guī)格國外禁運(yùn)、國內(nèi)也禁止出口，是全球半導(dǎo)體技術(shù)爭搶的高地。第四代半導(dǎo)體核心難點(diǎn)在材料制備，材料端的突破將獲得極大的市場價(jià)值。

氧化鎵，中文別名：三氧化二鎵，英文名稱：Gallium(III) oxide，其分子式為：Ga2O3，屬于一種單晶材料，是繼Si、SiC及GaN后的第四代寬禁帶半導(dǎo)體材料，因以β-Ga2O3單晶為基礎(chǔ)材料的功率器件具有更高的擊穿電壓與更低的導(dǎo)通電阻，從而擁有更低的導(dǎo)通損耗和更高的功率轉(zhuǎn)換效率，在功率電子器件方面具有極大的應(yīng)用潛力。

同時(shí)，氧化鎵（Ga2O3）其實(shí)還是一種來自日本的新型半導(dǎo)體晶體材料，可以廉價(jià)地生產(chǎn)高質(zhì)量、大型單晶基板，有望成為下一代功率器件材料，其潛力超過氮化鎵和碳化硅；氧化鎵（Ga2O3）由于低成本及與GaN的低失配的特性，可用于GaN材料的外延襯底。另外，氧化鎵（Ga2O3）還具有4.9eV的極寬帶隙，超過了SiC和GaN顯示的3.3eV，此特性使其制作的器件比由禁帶較窄材料組成的器件更薄、更輕，并且能應(yīng)對更高的功率，寬禁帶允許在更高的溫度下操作，從而減少對龐大的冷卻器件系統(tǒng)的需求，這種差異使氧化鎵（Ga2O3）能夠承受比硅、SiC和GaN更大的電場，而不會(huì)被擊穿。

二、氧化鎵(Ga2O3)材料的性能

氧化鎵(Ga2O3)作為一種“超寬禁帶半導(dǎo)體”材料破圈，得到了持續(xù)關(guān)注。超寬禁帶半導(dǎo)體也屬于“第四代半導(dǎo)體”，與第三代半導(dǎo)體碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)相比，氧化鎵的禁帶寬度達(dá)到了4.9eV，高于碳化硅的3.2eV和氮化鎵的3.39eV，更寬的禁帶寬度意味著電子需要更多的能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，因此氧化鎵具有耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻照等特性。

三、氧化鎵(Ga2O3)材料的晶體結(jié)構(gòu)及制備方法

氧化鎵（Ga2O3）擁有五種不同的晶相，即α、β、γ、δ和ε，這些晶相在特定條件下能夠相互轉(zhuǎn)化。在這五種晶相中，β-Ga2O3在常溫常壓下表現(xiàn)最為穩(wěn)定，是主要的存在形式，而其他晶相則被視為亞穩(wěn)相。通過調(diào)整溫度條件，這些亞穩(wěn)相可以轉(zhuǎn)化為β-Ga2O3，且此過程在一定條件下可逆，但通常需要施加高壓來實(shí)現(xiàn)。例如，在4.4 GPa和1000℃的極端條件下，β-Ga2O3會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)相的α-Ga2O3。β-Ga2O3屬于單斜晶系，具有C2/m空間群，其晶格常數(shù)分別為a=(1.2323±0.002)nm、b=(0.304±0.001)nm和c=(0.580±0.001)nm。在其晶胞結(jié)構(gòu)中，氧原子占據(jù)三個(gè)不同的位置（O1、O、Om），而鎵原子則占據(jù)兩個(gè)位置（GaⅠ和GaⅡ），形成扭曲的四面體結(jié)構(gòu)（GaⅠ）和高度扭曲的八面體結(jié)構(gòu)（GaⅡ）。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，特別是四面體結(jié)構(gòu)的共角和八面體結(jié)構(gòu)的共邊，為自由電子的移動(dòng)提供了便利，是氧化鎵(Ga2O3)導(dǎo)電性能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

目前，氧化鎵(Ga2O3)的制備方法豐富多樣，包括提拉法、導(dǎo)模法、火焰法、光學(xué)浮區(qū)法以及薄膜制備技術(shù)等。其中，薄膜制備技術(shù)如分子束外延（MBE）、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）和脈沖激光沉積（PLD）等因其工藝靈活、簡便且可重復(fù)性高而成為研究熱點(diǎn)。

四、氧化鎵(Ga2O3)的材料特性

器件功能是由器件材料屬性、結(jié)構(gòu)共同決定的，器件的材料屬性是決定器件功能優(yōu)劣的關(guān)鍵，直接談器件材料屬性大家可能會(huì)覺得空洞不知所以，所以我先介紹功率半導(dǎo)體的功能，以此引出實(shí)現(xiàn)此功能何種屬性能較好的被使用。

功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用需要考慮大功率電路應(yīng)用的特性，如絕緣、大電流能力等，在實(shí)際應(yīng)用中，以動(dòng)態(tài)的“開”和“關(guān)”為運(yùn)行特征，一般不運(yùn)行在放大狀態(tài)。

由功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成的電力電子變換器實(shí)施的是電磁能量轉(zhuǎn)換，而不是單純的開/關(guān)狀態(tài)，它的非理想應(yīng)用特性在電力電子變換器中起著舉足輕重的作用。要用好功率半導(dǎo)體器件，既要熟悉電力電子變換器的拓?fù)洌浞终莆掌骷旧淼奶匦裕谝弧⒍⑷⑺拇雽?dǎo)體都有可以作為功率半導(dǎo)體的材料，但是不同的材料屬性直接決定著器件的性能、價(jià)格、體積等等。下表為幾種材料的屬性對比：

以上是材料屬性的基礎(chǔ)對比，對于更深層面的功率器件的表皮晶圓需要特征：

1、表皮表面的平坦度

2、低載流子濃度區(qū)域的濃度控制

氧化鎵(Ga2O3)的這方面特性，被日本Novel Crystal Technology研究人員經(jīng)過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了定性，其使用臭氧MBE方法作為表皮沉積方法，晶體平面方位，摻雜劑優(yōu)化了種子、生長溫度、原料供應(yīng)量等生長參數(shù)。例如，下圖顯示了表面平整度與生長溫度之間的關(guān)系，以及載體濃度與摻雜原料電池溫度之間的關(guān)系。

這些允許在1nm或更低的表面粗糙度和1016cm-3的低載波濃度區(qū)域進(jìn)行控制，以滿足電源器件的表面粗糙度，此項(xiàng)結(jié)果證明，氧化鎵與第一、二代功率半導(dǎo)體材料具有明顯的優(yōu)勢，甚至對比于第三代半導(dǎo)體碳化硅都具有明顯的優(yōu)勢。

但金無足赤，人無完人，物體都是具有雙面性的，氧化鎵(Ga2O3)除了以上所展示出的優(yōu)點(diǎn)，它也存在一些自身的問題。

比如，β相在展現(xiàn)出色的物性參數(shù)的同時(shí)，也有一些不如SiC及GaN的方面，這就是遷移率和導(dǎo)熱率低，以及難以制造p型半導(dǎo)體。

不過，目前研究表明這些方面對功率元件的特性不會(huì)有太大的影響。之所以說遷移率低不會(huì)有太大問題，是因?yàn)楣β试男阅芎艽蟪潭壬先Q于擊穿電場強(qiáng)度。就β相而言，作為低損失性指標(biāo)的“巴利加優(yōu)值”與擊穿電場強(qiáng)度的3次方成正比、與遷移率的1次方成正比。巴加利優(yōu)值較大，是SiC的約10倍、GaN的約4倍。

3、不同材料功率器件決定的不同屬性

在電流和電壓方面的要求:Si，SiC，GaN和氧化鎵(Ga2O3)功率電子器件的應(yīng)用（如下圖所示），由于其材質(zhì)的屬性的本質(zhì)區(qū)別，導(dǎo)致這以不同襯底制作出來的功率器件會(huì)表現(xiàn)出很大的差異，比如以氧化鎵(Ga2O3)為襯底的功率器件就能在相對成本較低的情況下實(shí)現(xiàn)第一、二、三代半導(dǎo)體的功率器件功能，由下圖也可以看出，以氧化鎵(Ga2O3)為襯底制作出來的功率器件在承受更高電壓、電流方面就具有很大的優(yōu)勢，據(jù)統(tǒng)計(jì)，如果將中國低效電機(jī)改成使用氧化鎵(Ga2O3)等高功率半導(dǎo)體材料的高效電機(jī)，每年可節(jié)約900+億度電，實(shí)現(xiàn)450+億元（RMB）的節(jié)電效益，形成500+億元（RMB）的增加值，可以有效的助力碳中和、碳達(dá)峰的國家政策。

4、主要分類

導(dǎo)電型（氧化鎵(Ga2O3)同質(zhì)外延）、半絕緣型（同質(zhì)外延）、高純型（同質(zhì)外延）分別在肖特基二極管、場效應(yīng)晶體管、傳感器和光電襯底的應(yīng)用方向，主要應(yīng)對下游市場為新能源汽車、家電、工業(yè)變頻、光伏、電焊機(jī)、工業(yè)變頻、高鐵、智能電網(wǎng)、工業(yè)電機(jī)、國防軍工，發(fā)光二極管、電網(wǎng)安全檢測、國防軍工、森林消防、智慧高速、智慧家居等；

氧化鎵(Ga2O3)/氮化鎵（異質(zhì)外延）、氧化鎵(Ga2O3)/藍(lán)寶石（異質(zhì)外延）分別在射頻器件、傳感器件的應(yīng)用主要應(yīng)對下游市場通信基站裝置、發(fā)光二極管、電網(wǎng)安全檢測、國防軍工、森林消防、智慧高速、智慧家居、氣敏傳感安全檢測等等，應(yīng)用場景廣泛、受眾群體眾多。

通過以上的功率半導(dǎo)體功能的介紹，我們再回到介紹氧化鎵(Ga2O3)材料的性質(zhì)，主要在以下兩方面尤為突出：

（1）超寬禁帶，在超高低溫、強(qiáng)輻射等極端環(huán)境下性能穩(wěn)定，并且對應(yīng)深紫外吸收光譜，在日盲紫外探測器有應(yīng)用。

（2）高擊穿場強(qiáng)、高Baliga值，對應(yīng)耐壓高、損耗低，是高壓高功率器件不可替代的明星材料。

五、氧化鎵(Ga2O3)材料的制備工藝

高質(zhì)量單晶材料的制備是后期有效應(yīng)應(yīng)用的基礎(chǔ)與前提，新型材料氧化鎵(Ga2O3)的制備工藝具有復(fù)雜但成本可控、精妙但工藝成熟等特點(diǎn)，為防止文章過于空洞，特以同為新型材料的碳化硅生產(chǎn)為對比，你們能有一個(gè)清楚的參照物做對比，不至于理解起來過于空洞，至于成本如何可控、工藝如何，讀者可在以下對比中可窺得一二。

1、制備工藝的方法對比

（1）碳化硅制備主流方法：PVT

PVT法通過感應(yīng)加熱的方式在密閉生長腔室內(nèi)在2300°C以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料，使其升華產(chǎn)生包含Si、Si2C、SiC2等不同氣相組分的反應(yīng)氣體，通過固—?dú)夥磻?yīng)產(chǎn)生碳化硅單晶反應(yīng)源；由于固相升華反應(yīng)形成的Si、C成分的氣相分壓不同，Si/C化學(xué)計(jì)量比隨熱場分布存在差異，需要使氣相組分按照設(shè)計(jì)的熱場和溫梯進(jìn)行分布和傳輸，使組分輸運(yùn)至生長腔室既定的結(jié)晶位置；為了避免無序的氣相結(jié)晶形成多晶態(tài)碳化硅，在生長腔室頂部設(shè)置碳化硅籽晶（種子），輸運(yùn)至籽晶處的氣相組分在氣相組分過飽和度的驅(qū)動(dòng)下在籽晶表面原子沉積，生長為碳化硅單晶。

以上碳化硅單晶制備的整個(gè)固—?dú)狻谭磻?yīng)過程都處于一個(gè)完整且密閉的生長腔室內(nèi)，反應(yīng)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)相互耦合，任意生長條件的波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)單晶生長系統(tǒng)發(fā)生變化，影響碳化硅晶體生長的穩(wěn)定性；此外，碳化硅單晶在其結(jié)晶取向上的不同密排結(jié)構(gòu)存在多種原子連接鍵合方式，從而形成200多種碳化硅同質(zhì)異構(gòu)結(jié)構(gòu)的晶型，且不同晶型之間的能量轉(zhuǎn)化勢壘極低。

因此，在PVT單晶生長系統(tǒng)中極易發(fā)生不同晶型的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致目標(biāo)晶型雜亂以及各種結(jié)晶缺陷等嚴(yán)重質(zhì)量問題。故需采用專用檢測設(shè)備檢測晶錠的晶型和各項(xiàng)缺陷。

（2）氧化鎵(Ga2O3)制備主流方法：熔體法

按β-Ga2O3照晶體生長過程中原料狀態(tài)的不同，可以將晶體生長方法分為：溶液法、熔體法、氣相法、固相法等。

熔體法是研究最早也是應(yīng)用最為廣泛的晶體生長方法，也是目前生長β-Ga2O3體塊單晶常用的方法。同時(shí)，也是因?yàn)槿垠w法是生長半導(dǎo)體材料最理想的方式，它有以下幾個(gè)優(yōu)勢：

a、尺寸大：小籽晶能夠長出大晶體；

b、產(chǎn)量高：每爐晶錠可切出上千片襯底；

c、品質(zhì)好：位錯(cuò)可趨于0，晶體品質(zhì)很好；

d、長速快：每小時(shí)能夠長幾厘米，比氣相法快得多。

所以，通過熔體法可以生長高質(zhì)量、低成本的β-Ga2O3體塊單晶，其中最為常用的生長方法主要有兩種：直拉法和導(dǎo)模法。而由于氧化鎵(Ga2O3)的長晶工藝在使用直拉法時(shí)原料揮發(fā)較多，氧化鎵(Ga2O3)的長晶工藝從直拉法逐步演變?yōu)橛秀炆w和模具的導(dǎo)模法，兩種方法均需使用銥坩堝，目前導(dǎo)模法已成為主流的氧化鎵長晶方法。在這里，既然講到了“銥”，我就跟大家多分享一些關(guān)于“有銥法”和“無銥法”成本對比的相關(guān)知識(shí)：

a、有銥法

美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）預(yù)測，在無額外晶圓制造工藝優(yōu)化的情況下，有銥法長6寸氧化鎵(Ga2O3)的成本為283美金（≈2000元人民幣），采用各種節(jié)約成本的措施后，能夠降到195美金。其中，銥坩堝及其損耗占據(jù)過半。

b、無銥法

日本C&A公司報(bào)導(dǎo)了2寸無銥法的成果，宣稱成本能夠大幅下降至導(dǎo)模法的1/100。

所以，由于銥坩堝的成本和損耗太高，生長幾十爐后就會(huì)被腐蝕損耗，需要重新熔煉加工，且長晶過程中，銥會(huì)形成雜質(zhì)進(jìn)入晶體，產(chǎn)業(yè)界有很強(qiáng)的無銥法開發(fā)需求。

2022年4月，日本經(jīng)濟(jì)新聞網(wǎng)發(fā)布了一則消息，日本C&A公司采用一種銅坩堝的直拉法生長出2寸氧化鎵單晶，能夠?qū)⒊杀窘抵翆?dǎo)模法的1/100。

氧化鎵(Ga2O3)生長的工藝流程從原料在坩堝中熔化和拉晶開始，之后經(jīng)過切、磨、拋的工序，形成氧化鎵(Ga2O3)單晶襯底。再經(jīng)過外延工藝，得到同質(zhì)外延或異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)，最終加工為氧化鎵(Ga2O3)晶圓。

下文以導(dǎo)模法為例介紹，導(dǎo)模法（Edge-defined film-fed growth method）是一種重要的晶體生長方法，具有近尺寸生長、異形晶體生長、生長速度快、生長成本低等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)提拉法（Czochralski method）的一種延伸和補(bǔ)充，實(shí)際操作中可以將傳統(tǒng)提拉法晶體生長爐改造后使用，常用于閃爍晶體材料、半導(dǎo)體晶體材料的生長。

導(dǎo)模法需要在坩堝中放置模具，晶體生長界面位于模具上表面。由于射頻線圈高頻電流的作用，使銥坩堝產(chǎn)生渦流而產(chǎn)生熱量。

高溫下，坩堝中的氧化鎵(Ga2O3)原料變成熔體，由于表面張力和浸潤作用，熔體沿模具中的毛細(xì)管上升到模具上表面。

預(yù)先在籽晶桿上安放一枚籽晶，讓籽晶下降至接觸模具上的熔體表面，待籽晶表面稍熔后，提拉籽晶桿，使熔體在籽晶的誘導(dǎo)下結(jié)晶于籽晶上，最終生長出特定形狀的大塊單晶體。

所以，簡單來說，氧化鎵(Ga2O3)用液相的熔體法生長，位錯(cuò)（每平方厘米的缺陷個(gè)數(shù)）＜102cm-2，而SiC用氣相法生長，位錯(cuò)個(gè)數(shù)約105cm-2，這就是明顯的優(yōu)勢區(qū)別。

2、具體步驟與流程圖

（1）碳化硅材料制備流程

第一步：原料生成

將高純硅粉和高純碳粉按工藝配方均勻混合，在2,000℃以上的高溫條件下，于反應(yīng)腔室內(nèi)通過特定反應(yīng)工藝，去除反應(yīng)環(huán)境中殘余的、反應(yīng)微粉表面吸附的痕量雜質(zhì)，使硅粉和碳粉按照既定化學(xué)計(jì)量比反應(yīng)合成特定晶型和顆粒度的碳化硅顆粒。

再經(jīng)過破碎、篩分、清洗等工序，制得滿足晶體生長要求的高純度碳化硅粉原料。

第二步：晶體生長

在2300°C以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料，使其升華產(chǎn)生包含Si、Si2C、SiC2等不同氣相組分的反應(yīng)氣體，通過固-氣反應(yīng)產(chǎn)生碳化硅單晶反應(yīng)源；由于固相升華反應(yīng)形成的Si、C成分的氣相分壓不同，Si/C化學(xué)計(jì)量比隨熱場分布存在差異，需要使氣相組分按照設(shè)計(jì)的熱場和溫梯進(jìn)行分布和傳輸，使組分輸運(yùn)至生長腔室既定的結(jié)晶位置；

第三步：晶錠加工

將碳化硅晶錠使用X射線單晶定向儀進(jìn)行定向，之后通過精密機(jī)械加工的方式磨平、滾圓，加工成標(biāo)準(zhǔn)直徑尺寸和角度的碳化硅晶棒。對所有成型晶棒進(jìn)行尺寸、角度等指標(biāo)檢測。

第四步：晶棒切割

在考慮后續(xù)加工余量的前提下，使用金剛石細(xì)線將碳化硅晶棒切割成滿足客戶需求的不同厚度的切割，并使用全自動(dòng)測試設(shè)備進(jìn)行翹曲度（Warp）、彎曲度（Bow）、厚度變化（TTV）等面型檢測。

第五步：切割片研磨

通過自有工藝配方的研磨液將切割片減薄到相應(yīng)的厚度，并且消除表面的線痕及損傷。使用全自動(dòng)測試設(shè)備及非接觸電阻率測試儀對全部切割片進(jìn)行面型及電學(xué)性能檢測。

第六步：研磨片拋光

通過配比好的拋光液對研磨片進(jìn)行機(jī)械拋光和化學(xué)拋光，用來消除表面劃痕、降低表面粗糙度及消除加工應(yīng)力等，使研磨片表面達(dá)到納米級(jí)平整度。使用X射線衍射儀、原子力顯微鏡、表面平整度測試儀、表面缺陷綜合測試儀等儀器設(shè)備，檢測碳化硅拋光片的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，據(jù)此判定拋光片的質(zhì)量等級(jí)。

第七步：拋光片清洗

在百級(jí)超凈間內(nèi)，通過特定配比的化學(xué)試劑及去離子水對清洗機(jī)內(nèi)的拋光片進(jìn)行清洗，去除拋光片表面的微塵顆粒、金屬離子、有機(jī)沾污物等，甩干封裝在潔凈片盒內(nèi)，形成可供客戶開盒即用的碳化硅襯底。

（2）氧化鎵(Ga2O3)材料制備流程

與碳化硅半導(dǎo)體材料制備步驟類似，氧化鎵(Ga2O3)晶體襯底片加工包括退火、定向、切割、貼片、減薄、研磨、拋光和清洗，工藝流程如下圖所示：

所以，我們不難看出：氧化鎵(Ga2O3)的硬度比硅還軟，因此加工難度較小，而碳化硅硬度高，加工成本極高。

3、制備難易對比

方法并無絕對的好壞優(yōu)劣之分，只是適用情況、工藝繁簡有別，不管何種工藝也無論工藝是否過時(shí)，它都承載著研究人員的心血與付出，在一定程度上都是科技發(fā)展的具體載體，接下來的對比只是為了說明氧化鎵(Ga2O3)的制備成本可控，并無定性的指明孰優(yōu)孰劣的意思。

氧化鎵(Ga2O3)成本可控可以體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第一，相較于碳化硅必須實(shí)現(xiàn)2,300℃以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料，使其升華產(chǎn)生包含Si、Si2C、SiC2等不同氣相組分的反應(yīng)氣體才能進(jìn)一步生產(chǎn)，氧化鎵(Ga2O3)的導(dǎo)模法的實(shí)現(xiàn)條件就相對要求低了很多，其溫度要求低，而且不用使原料粉末升華成氣體相對條件要求較低；

第二，相較于200多種碳化硅同質(zhì)異構(gòu)結(jié)構(gòu)的晶型，且不同晶型之間的能量轉(zhuǎn)化勢壘極低的情況，氧化鎵(Ga2O3)的同質(zhì)異構(gòu)結(jié)構(gòu)的晶體類型少了很多只有幾種，這對于制備的可控性來說大大降低了難度，這也是為什么氧化鎵(Ga2O3)的成本低于碳化硅的重要原因；

第三，相較于碳化硅制備的石墨坩堝等一次性損耗品來講，氧化鎵(Ga2O3)的坩堝雖然購置費(fèi)用昂貴，但是可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，其平攤到每一次的制備成本當(dāng)中是遠(yuǎn)低于碳化硅的制備成本的，這又是氧化鎵(Ga2O3)成本低于碳化硅的一大原因。

因此，一方面：氧化鎵(Ga2O3)采用了液相的熔體法生長，每小時(shí)長10~30mm，每爐2天，而碳化硅用氣相法生長，每小時(shí)長0.1~0.3mm，每爐7天。而另一方面：氧化鎵(Ga2O3)的晶圓線與Si、GaN以及SiC的晶圓線相似度很高，轉(zhuǎn)換的成本較低，有利于加速氧化鎵的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度。從日本經(jīng)濟(jì)新聞網(wǎng)報(bào)道的原文“Novel Crystal Technology在全球首次成功量產(chǎn)以新一代功率半導(dǎo)體材料氧化鎵(Ga2O3)制成的100毫米晶圓，客戶企業(yè)可以用支持100毫米晶圓的現(xiàn)有設(shè)備制造新一代產(chǎn)品，有效運(yùn)用過去投資的老設(shè)備。”來看，氧化鎵(Ga2O3)不像SiC需要特殊設(shè)備而必須新建產(chǎn)線，潛在可轉(zhuǎn)換的產(chǎn)能已非常巨大。

4、相對環(huán)保

眾所周知，在國家加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)、碳中和、碳達(dá)峰的大環(huán)境下，材料制備無污染是一個(gè)比較值得關(guān)注的問題，氧化鎵(Ga2O3)相對比與第一二代半導(dǎo)體甚至是第三代是更環(huán)保的材料，比如硅基制造中多個(gè)環(huán)節(jié)涉及環(huán)境污染，生產(chǎn)過程中將產(chǎn)生一定量的廢水、廢氣、固廢和噪音；碳化硅襯底材料生產(chǎn)雖屬于重污染行業(yè)，但污染物廢水（主要包括酸洗清洗廢水、廢氣凈化廢水、倒角清洗廢水、研磨清洗廢水、機(jī)械拋光清洗廢水、生活污水等）、一般固廢（主要包括提純雜質(zhì)、加工下腳料、生活垃圾等）、危險(xiǎn)廢物（主要包括廢研磨液、廢切削液、廢拋光液等）、廢氣（主要包括酸洗廢氣、乙醇清洗廢氣、有機(jī)廢氣等）、噪聲等也存在，氧化鎵(Ga2O3)在這方面比第一二三代具備更環(huán)保的特點(diǎn)。

六、氧化鎵(Ga2O3)材料缺點(diǎn)的研究

1、解決導(dǎo)熱率低的問題

盡管氧化鎵(Ga2O3)存在熱量方面的挑戰(zhàn)，但氧化鎵(Ga2O3)的散熱是工程可以解決的問題，并不構(gòu)成產(chǎn)業(yè)化障礙。如下圖所示，美國弗吉尼亞理工大學(xué)通過雙面銀燒結(jié)的封裝方式解決散熱問題，能夠?qū)ё咝ぬ鼗Y(jié)處產(chǎn)生的熱量，在結(jié)處的熱阻為0.5K/W，底處1.43，瞬態(tài)時(shí)可以通過高達(dá)70A的浪涌電流。

2、解決P型摻雜

氧化鎵(Ga2O3)能帶結(jié)構(gòu)的價(jià)帶無法有效進(jìn)行空穴傳導(dǎo)，因此難以制造P型半導(dǎo)體。近期斯坦福、復(fù)旦等團(tuán)隊(duì)已在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了氧化鎵(Ga2O3)P型器件，預(yù)計(jì)將逐步導(dǎo)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。如下圖所示，斯坦福大學(xué)在2022年8月發(fā)表了實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)氧化鎵(Ga2O3)P型垂直結(jié)構(gòu)的成果，以Mg-SOG鎂擴(kuò)散的方式，形成PN結(jié)，開啟電壓為7V，開關(guān)速度109。

七、氧化鎵(Ga2O3)材料的當(dāng)前現(xiàn)狀

當(dāng)前該領(lǐng)域的研究，尤其以日本在氧化鎵(Ga2O3)方面的發(fā)展最為領(lǐng)先。

早在2012年，日本Novel Crystal Technology（下簡稱“NCT”）公司就實(shí)現(xiàn)了2英吋氧化鎵(Ga2O3)晶體和外延的突破；2014年，日本NCT實(shí)現(xiàn)2英吋氧化鎵(Ga2O3)材料的批量產(chǎn)業(yè)化；2017年，日本FLOSFIA實(shí)現(xiàn)了低成本亞穩(wěn)態(tài)氧化鎵(Ga2O3)（α相）材料的突破；2018年，日本NCT實(shí)現(xiàn)了4英吋氧化鎵(Ga2O3)材料的突破，日本FLOSFIA實(shí)現(xiàn)了α相氧化鎵(Ga2O3)外延材料的批量化生產(chǎn)，2019年日本田村實(shí)現(xiàn)4英吋氧化鎵(Ga2O3)的批量產(chǎn)業(yè)化等等。在這個(gè)發(fā)展過程中，日本氧化鎵(Ga2O3)產(chǎn)業(yè)也涌現(xiàn)出了幾個(gè)產(chǎn)業(yè)明星。

當(dāng)中尤其以NCT和FLOSFIA最為亮眼。

資料顯示，日本功率元件方向的氧化鎵(Ga2O3)研發(fā)始于日本國立信息通信技術(shù)研究所的東脅正高先生、京都大學(xué)的藤田靜雄教授、田村（Tamura）制作所的倉又朗人先生。國外主要研究機(jī)構(gòu)如下圖：

八、氧化鎵(Ga2O3)材料的產(chǎn)業(yè)鏈情況

氧化鎵(Ga2O3)襯底和外延環(huán)節(jié)位于功率器件的產(chǎn)業(yè)鏈上游。類比碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈，價(jià)值集中于上游襯底和外延環(huán)節(jié)：1顆碳化硅器件的成本中，47%來自襯底，23%來自外延，襯底+外延共占70%。

隨著氧化鎵(Ga2O3)的成本進(jìn)一步降低，襯底占比會(huì)比SiC小得多。

九、氧化鎵(Ga2O3)材料的應(yīng)用領(lǐng)域

為何說氧化鎵(Ga2O3)會(huì)成為引領(lǐng)中國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的一“鎵”馬車，通過以上介紹，相信你們應(yīng)該可以得出其成本可控、應(yīng)用場景廣泛、受眾群體眾多、相對環(huán)保等特點(diǎn)。

文章接下來分享其廣泛的應(yīng)用場景，其中值得說明的是由于文章作者資料以及認(rèn)知的有限性，雖然介紹了諸多的應(yīng)用場景但是不可否認(rèn)的是對于這種新型材料的認(rèn)識(shí)以及場景的應(yīng)用作者是完全概括不全的，在諸多領(lǐng)域作者存在介紹不全、介紹不充分的情況，望知悉！

1、在光電、電力電子器件方面的應(yīng)用

綜合在光電、電力電子器件應(yīng)用圖如下：

2、在大功率器件方面的應(yīng)用

因?yàn)檠趸?Ga2O3)的四大機(jī)遇：

（1）單極替換雙極

即MOSFET替換IGBT，新能源車及充電樁、特高壓、快充、工業(yè)電源、電機(jī)控制等功率市場中，淘汰硅基IGBT已是必然，硅基GaN、SiC、Ga2O3是競爭材料。

（2）更加節(jié)能高效

氧化鎵功率器件能耗低，符合碳中和、碳達(dá)峰的戰(zhàn)略。

（3）易大尺寸量產(chǎn)

擴(kuò)徑、生產(chǎn)簡單，芯片工藝易實(shí)現(xiàn)，成本低。

（4）可靠性要求高

材料穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)可靠，高品質(zhì)襯底/外延。

同時(shí)，氧化鎵(Ga2O3)的目標(biāo)市場：

（1）長期來說，氧化鎵功率器件覆蓋650V/1200V/1700V/3300V，預(yù)計(jì)2025年至2030年全面滲透車載和電氣設(shè)備領(lǐng)域，未來也將在超高壓的氧化鎵專屬市場發(fā)揮優(yōu)勢，如高壓電源真空管等應(yīng)用領(lǐng)域。

（2）短期來說，預(yù)計(jì)氧化鎵功率器件將在門檻較低、成本敏感的中高壓市場率先出現(xiàn)，如消費(fèi)電子、家電以及能發(fā)揮材料高可靠、高性能的工業(yè)電源等領(lǐng)域。

所以，氧化鎵(Ga2O3)容易取勝的市場：

（1）新能源車OBC/逆變器/充電樁

（2）DC/DC：12V/5V→48V轉(zhuǎn)換

（3）IGBT的存量市場

氧化鎵(Ga2O3)材料在高低壓配電房、變電站、智慧家居系統(tǒng)、射頻、不間斷電源等等應(yīng)用場景都可以發(fā)揮其作用，其最有希望的應(yīng)用可能是電力調(diào)節(jié)和配電系統(tǒng)中的高壓整流器，在功率器件方面的應(yīng)用會(huì)是氧化鎵(Ga2O3)大放異彩的重要領(lǐng)域，也是其引領(lǐng)中國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵，因?yàn)楣β势骷氖袌龇秶螅鼙娙后w多，波及范圍廣，在中國核心制造業(yè)以及精密儀器的核心制造方面會(huì)發(fā)揮不可替代的作用。

比如，目前還在用硅基、碳化硅基做襯底材料制作的IGBT、MOS等等。MOSFET是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管（field-effect transistor）。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。

IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)；當(dāng)前市場上銷售的多為此類模塊化產(chǎn)品，一般所說的IGBT也指IGBT模塊；隨著節(jié)能環(huán)保等理念的推進(jìn)，此類產(chǎn)品在市場上將越來越多見；IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷追Q電力電子裝置的“CPU”。

3、在射頻器件方面的應(yīng)用

GaN市場需要大尺寸、低成本的襯底，才能真正發(fā)揮GaN材料的優(yōu)勢。

同質(zhì)襯底上生長同質(zhì)外延的外延層品質(zhì)是最好的，但由于GaN襯底價(jià)格很高，在LED、消費(fèi)電子、射頻等領(lǐng)域采用相對廉價(jià)的襯底，如Si、藍(lán)寶石、SiC襯底，但這些襯底與GaN晶體結(jié)構(gòu)的差異會(huì)造成晶格失配，相當(dāng)于用成本犧牲了外延品質(zhì)。當(dāng)GaN同質(zhì)外延GaN，才能用在激光器這類要求較高的應(yīng)用場景。

GaN與氧化鎵(Ga2O3)的晶格失配僅2.6%，以氧化鎵(Ga2O3)襯底，異質(zhì)外延生長的GaN品質(zhì)高，且無銥法生長6寸氧化鎵(Ga2O3)的成本接近硅，有望在GaN射頻器件市場得到重要應(yīng)用。

所以，氧化鎵(Ga2O3)在射頻器件的市場容量可參考碳化硅外延氮化鎵器件的市場。SiC半絕緣型襯底主要用于5G基站、衛(wèi)星通訊、雷達(dá)等方向，2020年SiC外延GaN射頻器件市場規(guī)模約8.91億美元，2026年將增長至22.22億美元（約人民幣150億元）。

4、在高壓電力電氣系統(tǒng)局部放電檢測上的應(yīng)用

局部放電現(xiàn)象，主要指高壓電力電氣設(shè)備的局部放電。

電力設(shè)備絕緣材料在足夠強(qiáng)的電場作用下局部范圍內(nèi)發(fā)生的放電，而沒有貫穿施加電壓的導(dǎo)體之間。局部放電根據(jù)放電強(qiáng)度從弱到強(qiáng)可分為：電暈放電、沿面閃電、閃絡(luò)、電弧放電、火花放電。不同等級(jí)的放電會(huì)對電氣設(shè)備的絕緣材料造成不同的影響，現(xiàn)代電纜和電纜附件在長期局部放電作用下會(huì)其絕緣材料會(huì)被慢慢腐蝕直至失效。因此需要對運(yùn)行中的高壓電力設(shè)備要加強(qiáng)監(jiān)測，當(dāng)局部放電超過一定程度時(shí)，應(yīng)將設(shè)備退出運(yùn)行，進(jìn)行檢修或更換。

應(yīng)用氧化鎵(Ga2O3)日盲紫外傳感器開發(fā)日盲紫外探測器只要能探測到局部放電時(shí)產(chǎn)生的日盲紫外光光強(qiáng)，這樣便可以利用局部放電產(chǎn)生的光強(qiáng)與探測放電頻率間接評(píng)估運(yùn)行設(shè)備的絕緣狀況和及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣設(shè)備的缺陷。

5、在紫外消毒殺菌檢測方面的應(yīng)用

紫外線殺菌是現(xiàn)今社會(huì)上最普遍的消毒方法之一，紫外線消毒主要是用波長253.7nm的C波紫外線來消滅細(xì)菌、芽孢、病毒、分支桿菌等微生物，這樣能破壞這些微生物的機(jī)體內(nèi)的去氧核糖核酸（即DNA）的結(jié)構(gòu)，讓它們失去繁殖能力或者是死亡，具有廣譜性。采用紫外線輻射計(jì)殺菌，完全不產(chǎn)生任何有害物質(zhì)。

速度快、效率高、操作簡單，便于運(yùn)行管理和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。

在醫(yī)療行業(yè)、水處理行業(yè)、食品行業(yè)、室內(nèi)空氣凈化等都已有廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用場合主要有：

第一，水的消毒：包括自來水廠，純凈水廠消毒設(shè)備的在線監(jiān)測。

第二，空氣消毒：可以用于家庭房間、病房、實(shí)驗(yàn)室、學(xué)校、電影院、公交車、辦公室、家庭等里的空氣消毒監(jiān)測；

第三，食品消毒：食品生成企業(yè)及餐飲業(yè)的紫外線消毒在線監(jiān)測。

十、對于氧化鎵(Ga2O3)材料的總結(jié)與展望

當(dāng)前從Yole的報(bào)道中可以看出，綠色線代表的GaO尺寸以前所未有的斜率快速增長，這得益于其材料可以通過上文提到的液相法進(jìn)行生長，且已經(jīng)接近目前SiC和GaN的最大商用化尺寸。

硅基材料經(jīng)過了80多年的發(fā)展，達(dá)到了目前的12寸。

SiC材料的最大尺寸記錄是近日更名為Wolfspeed的美國Cree公司所推出的8英寸襯底樣品，其尚未導(dǎo)入大規(guī)模商業(yè)化，產(chǎn)業(yè)界剛剛準(zhǔn)備規(guī)模化生產(chǎn)基于6英寸襯底的功率器件。

由以上Yole與日本等國外權(quán)威機(jī)構(gòu)的預(yù)測分析走勢以及結(jié)合中國高質(zhì)量經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需求來看，氧化鎵(Ga2O3)的市場清晰度以及發(fā)展確定性是毋庸置疑的，而且氧化鎵(Ga2O3)在助力中國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展、實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰等領(lǐng)域都與國家的發(fā)展與民族的復(fù)興吻合度極高，氧化鎵(Ga2O3)勢必會(huì)成為引領(lǐng)中國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的一“鎵”動(dòng)力十足的馬車！

參考文獻(xiàn)：

1.《β-Ga2O3-N型氧化鎵單晶片規(guī)范》，中華人民共和國電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ 21444-2018，中電46所

2.《日本新興企業(yè)量產(chǎn)EV半導(dǎo)體，續(xù)航增1成》，日本經(jīng)濟(jì)新聞網(wǎng)，2022/08/25

3.《日企要量產(chǎn)氧化鎵晶圓，成本降至1/3》，日本經(jīng)濟(jì)新聞網(wǎng)，2022/08/17

4.《日企在全球首次量產(chǎn)100毫米氧化鎵晶圓》，日本經(jīng)濟(jì)新聞網(wǎng)，2021/06/16

5.《氧化鎵：寬禁帶半導(dǎo)體新勢力》，中國電子報(bào)，2022/04/22

6.日本NCT公司：https://www.novelcrystal.co.jp/eng/

7.日本FLOSFIA公司：https://flosfia.com/

8.日本C&A公司：https://www.c-and-a.jp/

9.美國Kyma公司：https://www.kymatech.com/

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審核編輯 黃宇