新能源汽車大勢(shì)之下，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體發(fā)展風(fēng)生水起。與此同時(shí)，第四代半導(dǎo)體也在蓄勢(shì)待發(fā)，其中，氧化鎵（Ga2O3）基于其性能與成本優(yōu)勢(shì)，有望成為繼碳化硅之后最具潛力的半導(dǎo)體材料。
鴻海入局氧化鎵
近期媒體報(bào)道，鴻海研究院半導(dǎo)體所與陽(yáng)明交大電子所合作，雙方研究團(tuán)隊(duì)在第四代半導(dǎo)體的關(guān)鍵技術(shù)上取得重大突破，提高了氧化鎵在高壓、高溫應(yīng)用領(lǐng)域的高壓耐受性能。
本次研究利用磷離子布植和快速熱退火技術(shù)實(shí)現(xiàn)了第四代半導(dǎo)體P型氧化鎵的制造，并在其上重新生長(zhǎng)N型和 N+型Ga2O3，形成了PN Ga2O3 二極體，結(jié)果展示出優(yōu)異的電性表現(xiàn)，這一突破性技術(shù)除了能大幅提升元件的穩(wěn)定性和可靠性，并顯著降低電阻。
論文詳細(xì)闡述了這種新型Ga2O3 PN二極體的制作過(guò)程和性能特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該元件具有4.2 V的開(kāi)啟電壓和900 V的擊穿電壓，展現(xiàn)出元件優(yōu)異的高壓耐受性能。
資料顯示，氧化鎵作為第四代半導(dǎo)體材料代表，具備禁帶寬度大、臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、導(dǎo)通特性好（幾乎是碳化硅的10倍）、材料生長(zhǎng)成本低等優(yōu)勢(shì)，這些特性使得氧化鎵特別適用于電動(dòng)汽車、電網(wǎng)系統(tǒng)、航空航天等高功率應(yīng)用場(chǎng)景。
鴻海認(rèn)為，氧化鎵將有望成為具有競(jìng)爭(zhēng)力的電力電子元件，能直接與碳化硅競(jìng)爭(zhēng)。展望未來(lái)，鴻海研究院表示，隨著氧化鎵技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可以期待其在更多高壓、高溫和高頻領(lǐng)域中有更廣泛應(yīng)用。
氧化鎵技術(shù)不斷突破
資料顯示，當(dāng)前日本、美國(guó)與中國(guó)對(duì)氧化鎵領(lǐng)域的研究較為積極。
日本相關(guān)廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了4英寸與6英寸氧化鎵的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，2023年底，日本NCT（novel crystal technology）公司宣布全球首次采用垂直布里奇曼（VB）法成功制備出6英寸β型氧化鎵單晶。
美國(guó)Kyma科技公司在氧化鎵基片、外延晶片和器件的生產(chǎn)上具有優(yōu)勢(shì)，并且與美國(guó)國(guó)防部達(dá)成緊密的合作關(guān)系。
我國(guó)同樣也在加速布局氧化鎵，并取得了一系列重要研究成果。
去年2月，中國(guó)電科46所成功制備出6英寸氧化鎵單晶，技術(shù)達(dá)到了國(guó)際一線水平。
去年10月，北京鎵和半導(dǎo)體有限公司實(shí)現(xiàn)了4英寸氧化鎵晶圓襯底技術(shù)突破，推出多規(guī)格氧化鎵單晶襯底并首發(fā)4英寸(100)面單晶襯底參數(shù)。
今年3月，鎵仁半導(dǎo)體聯(lián)合浙江大學(xué)杭州國(guó)際科創(chuàng)中心先進(jìn)半導(dǎo)體研究院、硅及先進(jìn)半導(dǎo)體材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，采用自主開(kāi)創(chuàng)的鑄造法于今年2月成功制備了高質(zhì)量6英寸非故意摻雜及導(dǎo)電型氧化鎵(β-Ga2O3)單晶，并加工獲得了6英寸氧化鎵襯底片。同年7月，鎵仁半導(dǎo)體制備出了3英寸晶圓級(jí)（010）氧化鎵單晶襯底。
今年4月，媒體報(bào)道廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院楊偉鋒教授團(tuán)隊(duì)在第四代半導(dǎo)體氧化鎵（β-Ga2O3）外延生長(zhǎng)技術(shù)和日盲光電探測(cè)器制備方面取得重要進(jìn)展。
在β-Ga2O3薄膜生長(zhǎng)方面，研究團(tuán)隊(duì)利用分子束外延技術(shù)（MBE）實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、低缺陷密度的外延薄膜生長(zhǎng)，并通過(guò)改變反應(yīng)物前驅(qū)體和精密控制生長(zhǎng)參數(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了β-Ga2O3外延薄膜的均勻生長(zhǎng)和優(yōu)良的晶體質(zhì)量，有力地推動(dòng)了β-Ga2O3薄膜的高質(zhì)量異質(zhì)外延的發(fā)展。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)對(duì)MBE外延生長(zhǎng)過(guò)程中的β-Ga2O3薄膜生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)探究，揭示了其成核、生長(zhǎng)的差異性，并建立了相對(duì)應(yīng)的外延生長(zhǎng)機(jī)理模型圖。據(jù)悉，β-Ga2O3材料因其本征日盲光吸收(254 nm)，簡(jiǎn)單二元組成，帶隙可調(diào)，制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)在日盲光電探測(cè)器領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。
另外，該研究團(tuán)隊(duì)在MBE異質(zhì)外延β-Ga2O3生長(zhǎng)機(jī)制的基礎(chǔ)上，結(jié)合半導(dǎo)體光電響應(yīng)原理，探究了異質(zhì)外延β-Ga2O3薄膜日盲光電探測(cè)器的性能指標(biāo)。研究團(tuán)隊(duì)利用臭氧作為前驅(qū)體所制備的金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)日盲光電探測(cè)器表現(xiàn)出7.5 pA的暗電流、1.31×107的光暗電流比、1.31×1015 Jones的比檢測(cè)率和 53 A/W的光響應(yīng)度，表現(xiàn)出相當(dāng)優(yōu)異的對(duì)日盲紫外光的探測(cè)性能。
氧化鎵材料MBE異質(zhì)外延生長(zhǎng)機(jī)理研究和材料表征分析圖
圖片來(lái)源：電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院官網(wǎng)
來(lái)源：全球半導(dǎo)體觀察
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