氧化镓：下一代功率半导体的材料之王

2022-12-26 08:27:23

氧化镓：下一代功率半导体的材料之王

本文系基于公开资料撰写，仅作为信息交流之用，不构成任何投资建议。

01前言

关于氧化镓，很多人第一次听说这个名词的可能是因为老美上次将氧化镓列为禁止出口的管控材料，属于帮大家科普并提醒了一下，氧化镓是种非常重要的材料，所以美国禁止对华出口了。

既然美国都这么重视了，都已经上升到属于清单上禁止出口的技术了，那必须非常认真的去研究它。

筆者对研究半导体材料情有独钟，特别是对化合物半导体材料领域有比较深刻的研究。我一直认为是以化合物半导体一个非常好的赛道，属于产业界和投资界热捧的黄金赛道，特别是在功率，光电，射频这些硅材料难以企及和突破的领域，是未来化合物发挥特长的阵地。

而且对中国而言，这些赛道基本属于空白，各国涉也并不多，中国和世界一流水准差距并不大，因此特别适合国内产业和资本提前布局，争取在这个领域内，未来中国能成为全世界的产业高地。

感谢创道硬科技的步日欣日总在氧化镓专业知识方面的支持。

背景

2022年8月12日，美国商务部工业和安全局（BIS）在联邦公报上发布一项临时最终规定，对4项“新兴和基础技术”实施最新出口管制，包括GAA技术，EDA软件，PGC技术以及氧化镓、金刚石这两类超宽禁带半导体材料，且该两项出口管制于8月15日已生效。

随后氧化镓登上热搜。

氧化镓本属于半导体产业的前沿研究材料之一，此前也就业内小范围的研究和探讨。但是一夜之间，因为美国禁止对华出口而登上热搜，于是氧化镓摇身一变，成为行业内最炙手可热的热门赛道，国内外加速对氧化镓产业的深入研究和资本投入，可谓热极一时。

氧化镓目前所展示的其各种特性，在功率半导体领域具备超强的潜力，在一定程度上被认为是下一代功率半导体的材料之王。

到这点大家会问了，碳化硅不是刚刚成为行业黄金赛道，怎么又冒出来一个氧化镓呢？到底谁更有潜力呢？

我在此前的碳化硅长文里聊起过这个问题，碳化硅的晶体制备是非常困难的，碳化硅没有溶液形态，只有固态和气态，因此其长晶的工艺难度非常大，效率非常低，想到得到高质量的晶体相当困难，而且碳化硅相当硬，晶体的切磨抛，以及器件工艺刻蚀，离子注入，退火，欧姆接触等工艺都和硅完全不同，需要投入大量的资源研发新设备，对产业而言并不友好。、

但是以上这些缺点，氧化镓几乎没有！氧化镓特性和硅比较接近，存在和硅共线的可能性，所以氧化镓在对比碳化硅的方面，有自己独特优点，甚至有隐约有超越的优势。

当然不是说氧化镓就一定比碳化硅更好，应该说两种材料各有优缺点。以前我总认为氧化镓离产业落地似乎还有很长的距离，但是今年日本两家企业表示明年氧化镓器件就会应用到车上，这点更是提醒我，也许氧化镓的进度比想象的快多了，更值得我们去深入学习和研究。

所以我会喊出，也许十年氧化镓走完碳化硅三十年的路。

材料篇：基础特性和优缺点

氧化镓，化学式为Ga2O3，氧化镓有5种同分异构体，分别为α、β、γ、ε和δ。其中β-Ga2O3最稳定，也是业内主要的研究对象，所以一般探讨的氧化镓都是指β-Ga2O3，日本有公司专门研究α的比较非主流。

氧化镓和当下明星碳化硅相比，它有更高的禁带宽度，达到了4.9eV，高于4H碳化硅3.2eV和氮化镓的3.4eV，仅次于氮化铝的6.1eV的和金刚石5.5eV，是已知的禁带宽带最大的半导体材料之一。

所以这种禁带宽度较大材料，也叫宽禁带半导体材料。国内为了区分，把超过2.2eV小于4eV的碳化硅，氮化镓等叫第三代半导体材料，把大于4eV的叫做第四代半导体材料，所以第四代半导体材料包括了氧化镓，氮化铝，金刚石，以及氧化锌（ZnO）。

禁带宽度的意思是一个电子要变成自由电子，需要获得足够的能量从价带跃迁到导带，而禁带宽度意味着这个跃迁所需能量值的大小，写作Eg。

禁带宽度属固体物理学的范围，也是半导体材料的一个基础物理性质，是一个很重要的特征参量。

最典型的就是禁带宽度和材料本身的发光效率有很大关系。

基本上，可以把禁带宽度和发光的波长，看成一个反比例关系，禁带宽度越大，材料能发的光波长越短。

可用一个数学公式来表达：禁带宽度*波长=1240。

比如你想要得到波长为250nm的紫外光，那你就需要1240/250=4.9，禁带宽度大于4.9eV的半导体材料才行。

关于这个1240是怎么来的，是一个很复杂的计算公式，涉及普朗克常量，各位不用去细究，只要记住结论即可。

除了禁带宽度高，氧化镓还有着极其逆天的超临界击穿场强达到8MV/cm，击穿场强是指电介质材料的介电强度。

电介质在足够强的电场作用下，会失去介电性质变成导体，简单理解就是绝缘性失效的临界点。

再通俗一点，头顶氧化镓，雷劈都不怕！可惜那些年飞升失败的道士们，要是他们知道世界上有氧化镓这种材料，飞升的时候还怕那三道天雷？还怕成不了金丹大道？

但是氧化镓也有缺点，较为典型的问题就是热导率太低，以及电子迁移率太低。

氧化镓的热导率是非常低的，100晶面低至0.13，甚至连硅的1/10都不到！这种时候就不是用低来形容，你把它看到一个保温材料都不为过。

太低的热导率非常影响器件散热效果，这对于下游大功率领域器件应用而言是个很大的问题，而电子迁移率太低，也非常影响器件过大电流的能力。

因此综上所述，笔者认为以氧化镓这种特性，具备高压，高速开关特性，但是不具备过大电流的能力，想要在功率半导体有广阔的应用还有诸多挑战。

材料篇：晶体的制备问题

氧化镓有5种同分异构体，分别为α、β、γ、ε和δ。在超过600度后只会形成β型，这点远远优于碳化硅。

碳化硅有多达200多种晶型，但是能用的主要是4H晶型，所以想要得到只有4H晶型的碳化硅难度非常大，长晶过程中不可控因素太多，且容易造成晶体的内部因为有其他晶型而形成缺陷。

氧化镓则不存在这个问题，高温之后只有β晶型。这点上看，氧化镓的晶体质量，稍加以时日，必然高于碳化硅，工艺窗口非常宽，晶体更容易做，且缺陷更少，质量更好，不像碳化硅那样必须小心翼翼的控制着晶体生长的工艺窗口。

因此氧化镓在晶体材料方面有天然的优势。

此外氧化镓有常压下的液相形态，这点对于材料而言，简直天选之子。

在众多第四代半导体材料中，氧化镓有其独特优势，是唯一在常压下具有液相形态的宽禁带半导体材料，这点与硅非常相似，因此其长晶方法可以利用熔体法，并具有大规模，高效率的特点，这也奠定了氧化镓低成本制备的可能性，这点非常宝贵。碳化硅，氮化镓最大的困惑就是长晶体实在太慢了，所以成本一直居高不下，这点上氧化镓对比碳化硅和氮化镓有其独特优势。

熔体法，目前被认为是材料生长最优秀的特征，是理想中的长晶方式，从历史上来看，正是因为硅材料可以使用熔体法制备，形成目前以硅材料占绝对主导的半导体材料。

氧化镓基于熔体法诞生出布里奇曼法，区熔，提拉，导膜法，等各种氧化镓长晶工艺，业内均有一定的探索。目前导膜走的最远最为成熟，国内已经有4英寸的晶体，预测明年就能看到6英寸的晶体，其他技术路线进度稍慢，大约是2-4英寸的水平。

导膜法相对而言，工艺比较简单，晶体质量好，目前国内的水平大概是7-8小时一炉，一炉大约能长2个4英寸的晶锭，厚度在1cm-3cm之间，这长晶速度已经是碳化硅的十倍以上了。

当然导膜法也有一个很明显的缺点，需要用到一种特殊的坩埚材料——Ir，铱。

铱是一种非常特殊的金属，而且产量很低，价格非常昂贵，比黄金贵3倍以上，而且国内是没有铱的矿源，因此完全依赖进口，所以用个几公斤，一个铱坩埚单价就高达数百万元，整套设备价格接近千万级，这对于未来想要大规模扩产，是个很大的难题，铱资源的问题目前国内没办法解决。

能做的就是走少用铱，或者干脆不用铱，用其他材料替代的，因此业内也有公司探索无铱的工艺路线。

但是笔者觉得，只要是化学元素表靠后的元素，都不可能便宜。

据进化半导体（深圳）的公开资料报道，该公司采用了无铱的技术路线，无需使用昂贵的铱坩埚，且设备成本低至几十万，符合大规模量产的基础。

我们认为一旦6英寸晶体制备技术被证明是成熟的，可靠的，晶体质量是能满足器件级的要求的，那么氧化镓的时代将来临！因为6英寸这个尺寸是商业化量产的起点、原因有两条，其一是6英寸的工艺成熟度很高！而且氧化镓和硅以及氮化镓性质比较接近，存在共线的可能性，改造花费小。

其二6英寸产线非常多，国内至少有几十条线，选择余地非常大！产业资源是非常丰富的，是能够为氧化镓产业发展提供较好温床的！

换言之，氧化镓只要6英寸的晶体够多，够便宜，它的发展速度会比当年碳化硅要快的多。

氧化镓十年超碳化硅三十年并非空话。

工艺篇：切磨抛工艺、外延工艺、器件工艺

1. 切磨抛工艺

氧化镓的莫氏硬度在5-6之间，属于不硬的物质，甚至比硅都软，更是远远低于9.3的碳化硅，因此其切磨抛工艺相对碳化硅而言，实在是太友好了，非常较简单，可以通过硅线设备改造而来，该工艺不存在难点。

2.外延工艺

外延工艺是制造好的器件的必然基础。

对于氧化镓而言，可以通过MOCVD的方法生长氧化镓外延和氮化镓外延，此外业界也有研究使用HPVE氢化物外延法做的。

MOCVD比较主流，虽然单价贵新设备基本都是千万级别的，但是假如二手设备能改那选择余地就非常大了，国内有大量的LED厂，有各种型号的MOCVD设备。假如某种型号能证明是可以通过改造后用的，那想象空间就比较大了。不过使用MOCVD的外延法速度不快，但是这方面工艺和人才都比较成熟，强在产业基础好，具备产业扩展基础。

HPVE氢化物外延法，设备比较便宜，外延速度也比较快，但是外延层质量一般，只有少数公司在这个方向上研究，整体上洒家认为MOCVD是主流，HPVE只能算个补充。

应该值得庆幸的是，氧化镓不需要MBE分子束外延，因为那东西基本就不具备量产化可能，虽然外延质量很高，但是效率实在是太慢了，设备还贵。

提到外延就不得不提两种外延片，氧化镓基氧化镓外延片（GaO on GaO）和氧化镓基氮化镓外延片（GaN on GaO）。

氧化镓基氧化镓外延片，没啥好说的，N型导电衬底做功率，和碳化硅基本差不多。

氧化镓基氮化镓外延片，应该是半绝缘型衬底，做类似光电，射频类器件，和半绝缘碳化硅衬底上长氮化镓外延意思也差不多，不过氧化镓和氮化镓的晶格适配率接近98%，超过碳化硅和氮化镓的95%，基本可以视为是同质外延层，可以确定的是，只要水平到位，氧化镓基氮化镓外延片具有极其优良的性能！而且好长，质量高！

3.器件工艺

器件工艺也就是一般意义上的FAB前道工艺。

相比碳化硅的工艺问题，氧化镓的要好处理多了！所以我前文会提到氧化镓存在和硅共线的可能性，不光是硅，同样氮化镓各方面也比较接近，因此只要能做硅，或者氮化镓的线，都具备通过简单改造后来做氧化镓，设备相似率超过90%，这点远远优于碳化硅。碳化硅的设备相似率只有50%，一半设备需要置换。

光刻

这个没什么好说的，主流6英寸光刻机，基本都能处理，要注意的氧化镓是几乎完全透明的薄片，因此需要特殊的干膜光刻胶，处理手法和碳化硅类似，碳化硅也是半透明的物质，目前产业已经有经验了。

刻蚀

首先氧化镓不像碳化硅这么硬，因此不需要大能量的刻蚀设备，无需CCP，仅需ICP，和硅比较接近，理论上可以通过魔改硅刻蚀设备来满足氧化镓的刻蚀需求。

此外由于国内有很多氮化镓的线，能做氮化镓就能做氧化镓。

离子注入/掺杂工艺

掺杂工艺的难题是几乎所有化合物半导体的工艺难点，特别是P型掺杂。

比如碳化硅的P型掺杂主要使用的是Al，Al不仅原子团较大，而且电离能量相当小，掺杂率低至3%，浓度非常低，设备还需要特殊高能的离子注入机，现在又贵，交期又长，很痛苦。

相比之下氧化镓的P型掺杂可能难度比碳化硅更难，目前主流的方法还是采用离子注入法，P型掺杂源使用锡，同样锡和铝的问题类似，都存在原子团大，电离能量小，掺杂浓度低的问题。

除了离子注入法之外，有公开报道说，美国有科研机构采用调制掺杂技术，能做出非常高浓度的P型掺杂，空穴迁移率高出当下离子注入法一个数量级，似乎用的是铁。

这个调制掺杂技术也不算什么新鲜事，砷化镓上用过，算是比较成熟的工艺，但是在氧化镓似乎还是一次新的尝试，各方都在摸索，目前P型掺杂工艺被认为是氧化镓最大的工艺难题之一，还没有成熟且完美的方案。

退火工艺

氧化镓的退火工艺，稍微比硅复杂，但是难度低于碳化硅，因此工艺上不存在太大难点。

欧姆接触

比碳化硅简单，不存在太大难度。

栅极工艺

也比碳化硅简单，和氮化镓较为接近。

散热工艺

公开报告称，在2019年，中国科学院微系统所与与西电郝跃院士团队合作，采用离子束剥离与转移技术在国际上首次实现晶圆级Ga2O3单晶薄膜与高导热硅基和碳化硅基衬底的异质集成，制备出了Ga2O3/Si和Ga2O3/SiC异质集成材料，对比基于同质 Ga2O3衬底的器件，异质集成Ga2O3器件热稳定性有显著的提升。

换句话说，可以用先剥离原有氧化镓衬底，再贴上碳化硅，氮化铝等高热导率的衬底，来进行散热。

此外业内认为碳化硅的双面银烧结工艺，可以从系统上基本解决氧化镓热导率差的问题。

所以这两种技术一旦成熟，氧化镓的热导率低的问题，完全可以用各种工程方案解决。

其他类

其他如沉积，清洗，量测，CMP等，基本和硅和氮化镓相通，不再赘述。