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电子产业未来的材料——氧化镓(Ga2O3)

作者:ZongYu时间:2022-08-19来源:EEPW

可以说,人类在20世界下半叶开始,绝大部分的科技成果都建立在电子计算机之上,而材料,就是各类现代信息技术的基石。自上世纪50年代,以硅和锗为代表的第一代材料为人类信息技术的高速发展走出了第一步;时间来到20世纪90年代,第二代横空出世,以砷化镓、磷化铟为代表的材料为人类在无线电通讯、微波雷达及红光 LED方面起到了举足轻重的作用;而近十年来,也被称为宽禁带半导体材料的氮化镓和碳化硅、氧化锌等第三代半导体,直接推动了功率器件、短波长光电器件、光显示、光存储、 光探测、透明导电等领域的高速发展。在摩尔定律已经走到瓶颈的今天,禁带宽度更大的金刚石、、AlN 及 BN 等超宽禁带半导体材料,具有更加优异的物理性能,一定能在未来对信息技术的持续发展做出重要的影响。

本文引用地址:http://www.846420.com/article/202208/437506.htm

自2022年8月15日,美国签署的关于金刚石和的对华出口禁令正式开始生效,一时间,将,这个大众平时不怎么关注的第四代半导体技术推向了舆论的风口浪尖,本来现在基本上处于实验室阶段的材料,一下子获得了许多关注,那么,什么是氧化镓呢?

说到氧化镓,不得不提他的孪生兄弟——氮化镓(GaN)。相比于氧化镓来说,氮化镓就和普罗大众的生活近了很多,现在手机百瓦的充电器,有很多都用了氮化镓技术,它们在体积相对小的同时,还做到了高电压大电流的急速充电效率,在电池技术难以突破的今天,曲线救国,为众多消费者缓解了电量焦虑。这是我们看得见的地方,在我们视野的盲区它已经在雷达和5G无线技术中得到了应用,很快将在电动汽车的逆变器中普及。氮化镓能让射频放大器更强更高效,能让电子设备更轻、更小。但是,这样就够了吗?不安于现状是我们人类最优秀的品质之一,我们能不能找到比氮化镓更好的材料呢?能不能让我们的电子设备更小,更高效呢?于是,氧化镓诞生了,它回答了我们的疑问:“是的,我们能。”

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氧化镓

说到氧化镓的高效,我们要引入一个新的概念——能隙。在百度百科上,能隙是这样被解释的:能隙是导带的最低点和价带的最高点的能量之差。能隙越大,电子由价带被激发到导带越难,本征载流子浓度就越低,电导率也就越低。简单来讲,能隙在宏观中,最明显的表现就是:能隙越大,这种材料就能承载更大的电压。事实上,自然界中能隙比氧化镓大的材料还有很多,但是作为电子材料来讲,它们都有一般都有一个致命的问题——不能导电(倒不如说,就因为不导电,所以能隙高)。但是氧化镓确实个难得的导电高能隙材料,接近5eV的能隙使它能承载电压的潜力非常巨大,作为对比硅的能隙为1.1eV,而现在的宠儿氮化镓为3.4eV,远远比不上氧化镓。还有重要的一点,氧化镓相对低廉的造价也是其他高能隙材料算不具备的(比如金刚石)。不仅如此,氧化镓还具有一些独特的特性,它可以通过掺杂的形式,自由控制其中载流子的数量,在氧化镓中加入磷,便能增加自由电子,加入硼就能减少自由电子数量。

目前有六种氧化镓晶体,其中最稳定的是β、其次是ε和α。作为最稳定β型氧化镓晶体,对于它的研究自然是最多,且最成熟的。这主要要感谢日本筑波的日本国家材料科学研究所和柏林莱布尼茨晶体研究所的开拓性工作。

β型氧化镓拥有良好的热稳定性,这就意味着它可以十分容易的商业化量产,和制造传统硅晶体一样可以使用“提拉法”,而我国的山东大学晶体材料国家重点实验室和中山大学光电材料与技术国家重点实验室也在2017年提出过利用导模法来生产高质量氧化镓单晶的方法。对比于其他新兴半导体材料,比如它的上一代氮化镓,氧化镓的盛昌甚至不需要基座,氧化镓可以使用自己作为基座,这就意味着它没有氮化镓那种由于需要使用硅、碳化硅或蓝宝石作为基底,而出现的“晶格失配”(由基底晶体结构明显不同于氮化镓的晶体结构引起)现象,从而使氧化镓的良品率有很大的提升。高性能、高能隙、生产相对容易且造价相对低,这是得氧化镓氧化镓晶体在未来半导体行业有着无与伦比的潜力和优势。

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600纳米的微观图以及其承受200V电压

由于氧化镓能承受巨大的电压而不被击穿,说到其应用,自然是作为开关最合适不过了。早在2012年日本国家信息与通信技术研究所的东胁正高就发现了其潜力,其团队使用β型氧化镓制造了一种名为“金属半导体场效应晶体管”的开关器件。这种晶体管在距离仅有600纳米的情况下,可以承受近200V的高电压而不被击穿,震惊了整个半导体界。而这还不是氧化镓价值最大的地方。它真正厉害的地方在于可以大幅降低功率损耗。这里需要引入另一个概念电场强度(Ec),一般Ec可以理解为半导体材料开始导电时的电场,硅的临界电场强度通常为每厘米几百千伏,而氧化镓的临界电场强度为每厘米8兆伏。对于半导体设备来说,大部分的功率损耗来自于设备开启瞬间的电流阻力,对于开关半导体材料来说,Ec的值越高,就意味着开关之间可以离得越近,就可以使用更加薄的的器件,而更少的间距直接导致了其开启瞬间的电流阻力更小,因此可以使设备的功率损耗大幅降低。顺着这条路线,氧化镓便开始飞速发展:2013年,研究人员研发了击穿电压为370伏的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。2016年,当时在NICT东胁团队工作的王文海(Man Hoi Wong,音)利用一种名为“场镀”(field plating)的附加结构将击穿电压提高到了750伏。仅仅只用了4年时间,氧化镓的走完了前辈氮化镓数十年的发展道路。

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氧化镓超高的临界点场强度

然而,这世界上并没有十全十美的事物,氧化镓也不例外,优点如此突出的半导体材料,自然也有一些突出的缺点。对于氧化镓来说,器件的散热就是最大的问题。氧化镓很有可能使目前导热能力最差的半导体材料之一,氧化镓的热导率只有金刚石的1/60,碳化硅(高性能射频氮化镓的基底)的1/10,约为硅的1/5,过低的导热率可能会导致器件长期处于高热的工作坏境之中,这将会对设备的使用寿命发起挑战。但是,作为能积极改造自然界的人类,对于改进器件的散热能力,早已是身经百战,每种带隙比硅大的半导体(甚至是金刚石)在充分发挥其潜能时,都有散热问题而我们的工程师们往往都能最大程度的解决问题,将材料的优势发挥到最大。对于氧化镓散热问题来说,已经有人走到了前列,日本的国家信息与通信技术研究所就将氧化镓和p型多晶碳化硅粘接组合到了一起,现在已经取得了一定的实验成果;而美国空军研究实验室的研究人员在氧化镓上方大约一微米的区域使用介质和填料,将热量分散,均匀的导出到散热器之中,这种方法也取得了良好的实验结果。

不仅如此,氧化镓几乎无法形成可以利用的空穴,这也就意味着它无法实现空穴导电,所以氧化镓基本上于制造P型半导体无缘,而且这是分子结构层面的问题,几乎没有解决的方法。但是,瑕不掩瑜,氧化镓的高能隙、低功率损耗的优势已经十分突出,氧化镓这种材料潜力巨大。未来,氧化镓这种新型半导体材料一定能为快速开关、多千伏级功率晶体管和射频器件领域带来一定程度上的颠覆。

如今,正值半导体发展的关键时期:摩尔定律的失效、芯片制程逐渐逼近物理极限,还有在政治上美方对我国半导体芯片产业的种种制裁,都预示着在未来的芯片领域,将有一场巨大的较量。氧化镓这种关键革命性材料的研究变成了我国打破芯被“卡脖子”的重中之重,我们在百年前错过了第一次工业革命和电气革命,迎来了百年的苦难历史,而如今的计算机和信息技术的又一次革命,我们现在又空前的实力去抓住它,一旦成功,我国将一跃从制造大国转变为制造强国,实现真正的百年未有之大变局。

                                                   图片缘于网络,侵删


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