在過去的十年中，氧化鎵的技術發(fā)展迅速，將其推向半導體技術的前沿。主要的目標應用領域是電力電子，其中氧化鎵的固有材料特性 - 高臨界場強，廣泛可調的導電性，低遷移率和基于熔體的體積增長 - 有望以低成本提供所需的高性能。

為了最大限度地發(fā)揮新型半導體技術的潛力，業(yè)界必須齊心協力解決阻礙性能的技術障礙。自2016年以來，超寬帶隙半導體領域取得了重大技術進步，當時京都大學專門從事氧化鎵薄膜研發(fā)和商業(yè)化的衍生公司Flosfia得出結論，氧化鎵值得開發(fā)。

半導體行業(yè)正越來越多地轉向由碳化硅（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）。與過去基于結的設計方法相比，該材料更加關注材料研究，以提高電力電子器件的整體性能。β-GA2O3以其獨特的固有特性脫穎而出，如5eV的超高帶隙，良好的導電性和磁場保持能力，有史以來最高的高臨界場強5.5MV/ m等。

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

以不同的方式加工材料可以產生各種特性，證明其靈活性。例如，從熔體中摻雜材料會導致電阻率為10mΩcm，而硅注入可以進一步將其降低到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。在材料上制造標準特征也相對容易。例如，歐姆和肖特基觸點可以在相對較低的退火溫度下使用鈦、鋁和鎳等標準金屬制成。材料的晶圓化和研磨可以使用標準生產工具完成。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。

氧化鎵的性質

β-Ga2O3相對較低的遷移率使其能夠表現出比SiC和GaN更好的性能。從熔體中生長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量晶體成為可能。β-Ga2O3晶體管品質因數比4H-SiC好約3倍，比GaN好20%。與現有的寬帶隙材料相比，這些優(yōu)勢使β-Ga2O3作為一種可行且低成本的替代方案處于領先地位，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具有非常低的導熱系數，阻礙了高效傳熱，這是電力電子器件的一個關鍵方面。實現薄芯片將成為提高β-Ga2O3導熱性努力的一個組成部分，這將補充為這些器件開發(fā)更好的散熱技術的努力。該材料具有平坦的價帶，導致空穴傳輸可以忽略不計，這意味著缺乏p型。這可以防止形成任何雪崩的p-n結，這對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載的應用（如UPS）的設備來說是一個問題。器件的額定值及其可靠性受到芯片邊緣電場的影響，即管理不善會導致性能和可靠性下降，而缺少p型可能會使問題惡化。缺少p型也對增強模式晶體管的設計施加了限制。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，目前緩解這一問題的解決方案涉及嚴格的過程控制，這對其可行性產生了懷疑。

圖2：典型的半導體晶圓

減小晶圓尺寸也是一個問題，因為較大的晶圓尺寸可以幫助降低制造工藝的成本，同時提高晶體質量，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)標準為150mm，越來越多的公司正朝著20mm尺寸發(fā)展。制造β-GA2O3還必須朝著這些晶圓尺寸發(fā)展，以便能夠利用現有的先進制造基礎設施。此外，由β-Ga2O3制成的器件沒有任何關于其可靠性的數據，這方面的任何研究都處于起步階段。

還有一些經濟因素需要解決，例如在β-Ga2O3的批量生產過程中，昂貴的稀有金屬坩堝的某些部件的損失（在邊緣的薄膜進料生長（EFG）和Czochralski（CZ），銥等制造方法的情況下）晶體。根據其它半導體材料的最新技術的要求增加基板的尺寸往往會使問題惡化并加速這些坩堝的失效。據報道，中國的研究人員已經開發(fā)出可以幫助緩解這種情況的方法，進一步將制造過程的成本降低約10倍。這項技術的大規(guī)模實施還有待觀察。適用于垂直β-Ga2O3外延層生長的設備需要最先進的機器上不存在的技術。

對使用β-Ga2O3制造的器件的設計，開發(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令人印象深刻的增長的原因，因為公司正在走向商業(yè)化。盡管已經有許多器件演示，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。材料的大量可用性將在加速器件開發(fā)方面發(fā)揮重要作用，因為材料的可用性是引入器件的先決條件。β-GA2O3技術在其成熟過程中已經達到了一個激動人心的時刻，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，并有據可查。剩下的就是齊心協力扎根，成功開發(fā)經濟上可行的大規(guī)模制造技術，并制造具有高可靠性并充分利用材料優(yōu)勢的器件。

審核編輯 ：李倩