半导体材料超新星“氧化镓”,中外研究进展如何?

标签:半导体
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在后摩尔时代,具有先天性能优势的宽禁带半导体材料脱颖而出,以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体,凭借其大幅降低电力传输中能源消耗的显著优势,在功率器件和射频器件领域大放异彩,成为全球半导体行业的研究焦点。

碳化硅和氮化镓我们可能已经比较熟悉,同为宽禁带半导体的氧化镓(Ga2O3)则是更加新兴的领域。研究证明,以氧化镓材料制作的功率器件,相较于碳化硅和氮化镓所制成的产品,更加耐热且高效、成本更低、应用范围更广,是被国际普遍关注并认可已开启产业化的第四代半导体材料。其他的第四代半导体还包括金刚石(Diamond) 、氮化铝(AlN) ,这些材料中只有氧化镓已经实现大尺寸突破(6英寸),预计未来3-5年可以实现大规模应用。

据市场调查公司富士经济于2019年6月5日公布的《Wide Gap 功率半导体元件》全球市场预测来看,2030年氧化镓功率元件的市场规模将会达到1542亿日元(约人民币92.76亿元),这个市场规模甚至超过氮化镓功率元件的规模(1085亿日元,约人民币65.1亿元)。

氧化镓是什么样的半导体材料?

资料显示,氧化镓是一种新型超宽禁带半导体材料。超禁带半导体分两个方向,一是超窄禁带,禁带宽度(指被束缚的价电子产生本征激发所需要的最小能量)在零点几电子伏特(eV),比超窄禁带更窄的材料便称为导体;二是超宽禁带,如禁带宽度在4.9eV的氧化镓,以及更高的金刚石、氮化铝等,当禁带宽度超过6.2eV,基本上就是绝缘体。目前来看,超禁带半导体将会是最后一代半导体,尤其是金刚石很早就被称为“终极半导体”。

与碳化硅3.25eV、氮化镓3.4eV的带隙相比,氧化镓分为α、β、γ、δ和ε五种结晶形态,其中最为稳定的是β-氧化镓,其次是ε和α,目前大部分研究和开发也是针对禁带宽度在4.7eV和4.9eV之间的β-氧化镓进行。而且β-氧化镓的生长速率快于碳化硅和氮化镓,衬底工艺也相对较简单。

 

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β相氧化镓晶体结构

随着氧化镓晶体生长技术的突破性进展,氧化稼和蓝宝石一样,可以从溶液状态转化成块状(Bulk)单结晶状态。可以通过运用与蓝宝石晶圆生产技术相同的EFG(Edge-defined Film-fed Growth)方法,做出氧化镓晶圆,成熟的生产工艺会大幅度降低生产成本。

 

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超大的禁带宽度确保了氧化镓的抗辐照和抗高温能力,可以在超低温、强辐射等极端环境下保持稳定的性质。而其高击穿场强(~8 MV/cm)的特性确保了制备的氧化镓器件可以在超高电压下使用,低的导通电阻(相同耐压下约是GaN 基器件的1/3)和大的巴利加优值(Baliga)BFOM指数(分别是GaN和SiC的四倍和十倍)则有利于提高载流子收集效率和导通特性。

 

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各国争相布局氧化镓,日本再次领先

虽然目前还处于研发阶段,但各国半导体企业都在争相布局氧化镓。不同的是,研究氧化镓功率元件并进行开发的主体并不是Cree、Rohm、ST、Infineon、Bosch、OnSemi等功率半导体和元器件龙头企业,而是初创企业。未来主要应用场景包括通信、雷达、航空航天、高铁动车、新能源汽车等领域的辐射探测领域的传感器芯片,以及在大功率和超大功率芯片。

今年4月,韩国30家半导体企业、大学以及研究所组建了碳化硅产业联盟,目的是为了应对急速增长的碳化硅、氮化镓、氧化镓等宽禁带半导体所引领的新型功率半导体市场。

日本在氧化镓研究上是最前沿的,其氧化镓功率元件方向的研发始于以下三位:日本国立信息通信技术研究所(NICT)的东胁正高先生、京都大学的藤田静雄教授、田村(Tamura)制作所的仓又朗人先生。

NICT的东胁先生于2010年3月结束在美国大学的赴任并返回日本。2012年,NICT开发出了世界首个单晶β-氧化镓场效应晶体管(MESFET),其击穿电压达到250V以上;达到这个里程碑,氮化镓用了近20年。此后不久又报道了肖特基势垒二极管(SBD),给业界打开了氧化镓新应用的大门。

京都大学的藤田教授于2008年发布了氧化镓深紫外线检测和Schottky Barrier Junction、蓝宝石(Sapphire)晶圆上的外延生长(Epitaxial Growth)等研发成果后,又通过利用独自研发的“雾化法”薄膜生产技术(Mist CVD法)致力于研发功率元件。

仓又先生在田村(Tamura)制作所负责研发LED方向的氧化镓单晶晶圆,并将应用在功率半导体方向。

三人的接触与新能源·产业技术综合开发机构(NEDO)于2011年度提出的“节能革新技术开发事业—挑战研发(事前研发一体型)、超耐高压氧化镓功率元件的研发”这一委托研发事业有一定关联,接受委托的是NICT、京都大学、田村制作所等。可以说,由这一委托开启了氧化镓功率元件的正式研发。

2011年,京都大学投资成立了公司“FLOSFIA”;在2015年,NICT和田村制作所合作投资成立了氧化镓产业化企业“Novel Crystal Technology”,简称“NCT”。 现在,这两家企业是日本氧化镓研发的中坚企业,也是世界上唯二两家能够量产氧化镓材料及器件的企业。

2015年,日本推出了高质量氧化镓单晶衬底,2016年又推出了同质外延片,此后基于氧化镓材料的器件研究成果开始爆发式出现,国际上开始了氧化镓领域的疯狂竞赛。

日前, NCT与日本酸素控股旗下的大阳日酸、东京农工大学合作实现了氧化镓功率半导体的6英寸成膜,突破了只能在最大4英寸晶圆上成膜的技术瓶颈,此技术有望把成本降至碳化硅功率半导体的1/3。目前NCT公司采用导模法(EFG法),几乎供应了全球100%的氧化镓衬底,EFG法是当前唯一能制造大尺寸氧化镓衬底的工艺。

西方国家方面,美国空军研究室(AFRL)在2012年注意到了NICT的成功,研究员Gregg Jessen领导的团队探索了氧化镓材料的特性,建立了美国的氧化镓研究基础,获得了首批样品。

之后美国空军研究实验室、美国海军实验室和美国宇航局,积极寻求与美国高校和全球企业合作,开发耐更高电压、尺寸更小、更耐辐照的氧化镓功率器件。Kelson Chabak接任团队负责人后,他们从唯一的商业供应商Tamura采购了衬底,并联系了Tamura投资的NCT购买外延片,同时也从德国莱布尼茨晶体生长研究所(IKZ)采购外延片。

2020年4月,美国纽约州立大学布法罗分校(the University at Buffalo)宣称他们正在研发一款基于氧化镓的晶体管,能够承受8000V以上的电压,而且只有一张纸那么薄。该团队在2018年制造了一个由5微米厚(一张纸厚约100微米)的氧化镓制成的MOSFET,击穿电压为1,850 V。该产品将用于制造更小、更高效的电子系统,应用在电动汽车、机车和飞机上。

 

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在电流和电压需求方面Si,SiC,GaN和GaO功率电子器件的应用

德国莱布尼茨晶体生长研究所、法国圣戈班等全球企业、科研机构也加入了氧化镓材料及器件研发的浪潮中,这种半导体材料可谓是吸引了世界的广泛关注。

我国其实开展氧化镓研究已经十余年,但研究更集中于科研领域,直到近年来46所的技术突破才逐渐实现产业化。虽然产业化进程比日本要缓慢,但是比美国要快得多。今年我国科技部将氧化镓列入“十四五重点研发计划”,从公开资料能了解到目前从事氧化镓材料和器件研究的单位和企业,主要是中电科46所、西安电子科技大学、山东大学、上海光机所、上海微系统所、复旦大学、南京大学等高校及科研院所,科技成果转化的公司有深圳进化半导体、北京镓族科技、杭州富加镓业。

中国研究成果之:高耐压氧化镓二极管

近日,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,全称为:IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs)。ISPSD是功率半导体器件和集成电路领域国际顶级学术会议。

能源、信息、国防、轨道交通、电动汽车等领域的快速发展,对功率半导体器件性能提出了更高的要求,高耐压、低损耗、大功率器件成为未来发展的趋势。氧化镓作为新一代功率半导体材料,禁带宽带大、抗极端环境强,有望在未来功率器件领域发挥极其重要的作用。

但氧化镓功率半导体器件推向产业化仍然有很多问题,包括边大尺寸高质量单晶的制作、热导率极低导致散热难、缘峰值电场难以抑制、增强型晶体管难以实现等。中科大课题组针对后两个痛点分别做了如下工作:

目前,由于氧化镓P型掺杂仍然存在挑战,氧化镓同质PN结作为极其重要的基础器件暂时难以实现,导致氧化镓二极管器件缺乏采用同质PN结抑制阳极边缘峰值电场(例如场环、结终端扩展等)。为此,采用其他合适的P型氧化物材料与氧化镓形成异质结是一种可行解决方案。P型半导体NiO由于禁带宽度大及可控掺杂的特点,是目前较好的选择。

该课题组基于NiO生长工艺和异质PN的前期研究基础(Weibing Hao, et.al., Applied Physics Letters, 118, 043501, 2021),设计了结终端扩展结构(Junction Termination Extension, JTE),并优化退火工艺,成功制备出耐高压且耐高温的氧化镓异质结二极管。该研究采用的JTE设计能够有效缓解NiO/Ga2O3结边缘电场聚集效应,提高器件的击穿电压。退火工艺能够极大降低异质结的反向泄漏电流,提高电流开关比。最终测试结果表明该器件具有2.5mΩ·cm2的低导通电阻和室温下2.66 kV的高击穿电压,其功率品质因数高达2.83 GW/cm2。此外,器件在250 °C下仍能保持1.77 kV的击穿电压,表现出极好的高温阻断特性,这是领域首次报道的高温击穿特性。研究成果以“2.6 kV NiO/Ga2O3Heterojunction Diode with Superior High-Temperature Voltage Blocking Capability”为题发表在ISPSD 2022上。第一作者为中科大微电子学院博士生郝伟兵,微电子学院龙世兵教授和徐光伟特任副研究员为论文共同通讯作者。

 

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结终端扩展NiO/β-Ga2O3异质结二极管(a)截面示意图和器件关键制造细节,(b)与已报道的氧化镓肖特基二极管及异质结二极管的性能比较。

中国研究成果之:增强型氧化镓场效应晶体管

增强型晶体管具有误开启自保护功能,且仅需要单电源供电,因此在功率应用中通常选用增强型器件。但由于氧化镓P型掺杂技术缺失,场效应晶体管一般为耗尽型器件,增强型结构难以设计和实现。常见的增强型设计方案往往会大幅提升器件的开态电阻,导致过高的导通损耗。

针对上述问题,中科大课题组在原有增强型晶体管设计基础上(Xuanze Zhou, et.al., IEEE Transactions on Electron Devices, 68, 1501-1506, 2021),引入了同样为宽禁带半导体材料的P型NiO,并与沟槽型结构相结合,成功设计并制备出了氧化镓增强型异质结场效应晶体管。该器件达到了0.9 V的阈值电压,较低的亚阈值摆幅(73 mV/dec),高器件跨导(14.8 mS/mm)以及接近零的器件回滞特性,这些特性表明器件具有良好的栅极控制能力。此外,器件的导通电阻得到了很好的保持,为151.5 Ω·mm,并且击穿电压达到了980 V。

研究成果以“Normally-offβ-Ga2O3Power Heterojunction Field-Effect-Transistor Realized by p-NiO and Recessed-Gate”为题发表在ISPSD 2022上。

 

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基于异质PN氧化镓结型场效应晶体管(a)结构示意图及工艺流程图,(b)不同漏极偏压的转移特性,(c)输出特性曲线,与(d)击穿特性曲线。

中国研究成果之:异质集成材料解决散热问题

中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣研究员课题组与西安电子科技大学郝跃院士团队韩根全教授合作,利用基于“万能离子刀”的异质集成技术将氧化镓(Ga2O3)材料与器件的散热能力提升4倍以上,并在实验上观测到了异质集成Ga2O3器件的表面温度明显低于体衬底Ga2O3器件。相关研究成果以“Efficient thermal dissipation in wafer-scale heterogeneous integration of single-crystalline β-Ga2O3 thin film on SiC”发表在国家自然科学基金委员会主办的Fundamental Research期刊,并被选为“宽禁带和超宽禁带半导体”专题的正封面文章。

与氮化镓材料体系类似,将氧化镓单晶薄膜与高导热衬底材料结合形成异质集成材料是解决其散热问题的有效途径之一。由于晶格失配等物理限制,传统的异质外延生长技术难以在碳化硅等高导热衬底上生长出高质量的氧化镓单晶薄膜。

2019年,中国科学院微系统与信息技术研究所欧欣团队与西安电子科技大学郝跃院士团队韩根全教授合作,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,成果发表在微电子领域顶级国际会议IEDM上(10.1109/IEDM19573.2019.8993501)。 

 

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在本工作中,该团队对Ga2O3/SiC异质集成材料和器件的散热特性进行了深入研究。瞬态热反射测试结果表明Ga2O3/SiC异质集成材料的热弛豫要明显快于Ga2O3体材料,通过高温后退火可消除注入应力、缺陷,提升异质界面质量,可进一步降低材料等效界面热阻。利用红外热成像技术直观地观察到在相同功率下基于Ga2O3/SiC异质集成材料的SBD器件表面温度明显低于Ga2O3体材料器件,Ga2O3/SiC异质集成材料的等效热阻为43.55 K/W,仅为Ga2O3体材料(188.24 K/W)的1/4,这表明通过与高导热衬底集成能够有效提升Ga2O3器件的热耗散。

本研究不仅加深了对异质材料界面热传输机理的理解,也为 Ga2O3器件的热管理提供了一种有效的解决方案,从而为开发下一代高性能功率器件提供关键技术和材料支撑。 

更多中国机构在氧化镓上的研究进展

1中电科46

据观察者网在2019年2月的报道,中国电科46所经过多年氧化镓晶体生长技术探索,通过改进热场结构、优化生长气氛和晶体生长工艺,有效解决了晶体生长过程中原料分解、多晶形成、晶体开裂等问题,采用导模法成功在2016年制备出国内第一片高质量的2英寸氧化镓单晶,在2018年底制备出国内第一片高质量的4英寸氧化镓单晶。报道指出,中国电科46所制备的氧化镓单晶的宽度接近100mm,总长度达到250mm,可加工出4英寸晶圆、3英寸晶圆和2英寸晶圆。这也是目前为止国内唯一能够达到该尺寸的记录保持者。

2)西电大学/微系统所

据中国科学院上海微系统与信息技术研究所报道,在2019年12月,中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员欧欣课题组和西安电子科技大学郝跃课题组教授韩根全携手,在氧化镓功率器件领域取得了新进展。欧欣课题组和韩根全课题组利用“万能离子刀”智能剥离与转移技术,首次将晶圆级β相GaO单晶薄膜(400nm)与高导热的Si和4H-SiC衬底晶圆级集成,并制备出高性能器件。报道指出,该工作在超宽禁带材料与功率器件领域具有里程碑式的重要意义。首先,异质集成为GaO晶圆散热问题提供了最优解决方案,势必推动高性能GaO器件研究的发展;其次,该研究将为我国GaO基础研究和工程化提供优质的高导热衬底材料,推动GaO在高功率器件领域的规模化应用。

3)复旦大学

在2020年6月,复旦大学方志来团队在p型氧化镓深紫外日盲探测器研究中取得重要进展。报道表示,方志来团队采用固-固相变原位掺杂技术,同时实现了高掺杂浓度、高晶体质量与能带工程,从而部分解决了氧化镓的p型掺杂困难问题。

4北京镓族科技

资料显示,北京镓族科技有限公司成立于2017年年底,是国内首家、国际第二家专业从事第四代(超宽禁带)半导体氧化镓材料开发及应用产业化的高科技公司,是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产业化平台。

公司研发和生产基于新型超宽禁带半导体材料氧化镓的高质量单晶与外延衬底、高灵敏度日盲紫外探测器件、高频大功率器件,已与合作单位一起已经实现1000V耐压的肖特基二极管模型制作,并已经实现5000V耐压的MOSFET模型制作,开发出氧化镓基日盲紫外探测器分立器件和阵列成像器件,为深紫外光电器件提供了良好解决方案,可支持极弱火焰和极弱电弧实时检测等,并已推出系统化模块。公司已申请40余项专利,完成了产业中试的前期技术、人员、软硬件等量产化要求的所有准备工作。公司拥有厂房面积1500平米,涵盖完整的产业中试产线,具备研发和小批量生产能力,初步构建了氧化单晶衬底、氧化镓异质/同质外延衬底生产和研发平台。未来将不断完善晶体生长、晶体加工、外延薄膜性能测试、微纳加工、联合研发等六大平台搭建。

5)杭州富加镓

据官网信息,公司成立于2019年12月,注册资金500万,是由中国科学院上海光学精密机械研究所与杭州市富阳区政府共建的“硬科技”产业化平台——杭州光机所孵化的科技型企业。

富加镓业专注于宽禁带半导体材料研发,公司核心创始人具有中科院博士、剑桥大学博士等材料领域的深厚背景,团队成员主要来自中国科学院、美英海归等业内资深人才,研发人员中硕士以上比例达到80%;公司厂房面积八千余平米,拥有多台大尺寸导模法晶体生长炉、多气氛晶体退火炉、高精密抛光机等仪器设备,为公司的发展提供了基础支撑和持续创新动力硬件保证。

富加镓业最初技术来源于中科院上海光机所技术研发团队,该团队是我国最早从事氧化镓晶体生长的团队,从04年开始即开展研究。富加镓业专业从事氧化镓单晶材料设计、模拟仿真、生长及性能表征等工作,形成了较鲜明的特色和优势。我们注重知识产权保护和氧化镓相关基础探索研究工作,在全球范围内对氧化镓晶体材料生长及上下游应用领域的专利进行布局,申请进入欧盟、美国、日本、韩国、新加坡等国家。团队的氧化镓晶体材料及器件基础研究成果,多篇科研论文已发表在国际顶级学术期刊上,与全球科研工作者共享最新研究成果,共同推动全球第四代半导体相关行业的发展。

6)其他

山东大学采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法研究了β相GaO薄膜的生长及其光学性质。北京邮电大学、电子科技大学、中山大学也分别独立开展了β相GaO薄膜及日盲紫外探测器的研究,已取得了一些重要的研究成果,但基本未见在晶体材料方面的相关报道。

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