2023年12月，日本Novel Crystal Technology宣布采用垂直布里奇曼（VB）法成功制備出直徑6英寸的β型氧化鎵（β-Ga2O3）單晶。通過增加單晶襯底的直徑和質(zhì)量，可以降低β-Ga2O3功率器件的成本。

SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）作為功率器件材料而備受關(guān)注。β-Ga2O3具有比這些材料更大的帶隙能量。因此，很有可能為電動(dòng)汽車、鐵路車輛和工業(yè)設(shè)備等設(shè)備實(shí)現(xiàn)更高性能的功率器件。

Novel Crystal Technology 此前已開發(fā)出采用 EFG（邊緣定義薄膜生長(zhǎng)）方法的單晶制造技術(shù)。我們已經(jīng)開發(fā)了 2 英寸和 100 毫米基板，并將其出售用于研究和開發(fā)目的。然而，為了廣泛普β-Ga2O3功率器件，降低成本至關(guān)重要，因此我們決定致力于增加單晶襯底的直徑。

采用VB法生長(zhǎng)β-Ga2O3單晶的技術(shù)由信州大學(xué)發(fā)明，目前已生產(chǎn)出2英寸和4英寸的單晶。Novel Crystal Technology繼承了信州大學(xué)的培育技術(shù)，決定制造大直徑、高品質(zhì)的β-Ga2O3基板。

VB法是將裝有原料的坩堝存放在具有溫度梯度的爐子中，待原料熔化后，將坩堝拉起并凝固的生長(zhǎng)方法。因此，獲得與坩堝形狀相同的晶體。由于熔體在坩堝中凝固，因此還具有能夠生產(chǎn)多種表面取向的基材的優(yōu)點(diǎn)。此外，由于它可以在溫度梯度小的環(huán)境中生長(zhǎng)，因此與EFG法等提拉法相比，可以獲得更高質(zhì)量的晶體。還可以改善摻雜劑濃度的面內(nèi)均勻性。

使用VB法6英寸晶體生長(zhǎng)裝置生產(chǎn)的晶體從籽晶到最終凝固部分都是透明的，表明它是單晶。最寬的恒定直徑部分的直徑超過 6 英寸。

日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所利用一種被稱為“X射線形貌術(shù)”的晶體缺陷評(píng)價(jià)方法，對(duì)VB法和EFG法生長(zhǎng)的單晶基板的質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在使用EFG方法制造的基板中以高密度出現(xiàn)線狀缺陷。與此相對(duì)，可以確認(rèn)在利用VB法制造的基板中幾乎沒有產(chǎn)生線狀缺陷。

氧化鎵時(shí)代，即使到來

FLOSFIA 是京都大學(xué)的一家企業(yè)，研究“剛玉結(jié)構(gòu)氧化鎵 (α-Ga2O3)”，并使用這種材料制造和銷售功率器件。該公司成立于2011年，最近的營(yíng)業(yè)收入約為3億日元。我們還使用我們獨(dú)特的薄膜沉積技術(shù)“霧干法”進(jìn)行合同薄膜沉積。

在FLOSFIA 看來，通過使用氧化鎵功率器件來減少功率轉(zhuǎn)換過程中的損耗，從而減少能量損耗。電能轉(zhuǎn)換損失產(chǎn)生的電力占總發(fā)電量的10%以上。FLOSFIA開發(fā)的Ga2O3在“Variga品質(zhì)因數(shù)”中具有比硅（Si）高約6,000倍的材料特性，這表明該材料具有減少能量損失的潛力，并且可以為減少能量損失做出貢獻(xiàn)。

從減少工藝損失的角度來看，SiC（碳化硅）的生產(chǎn)需要1500～2000℃的高溫環(huán)境，而α-Ga2O3可以在500℃以下的環(huán)境下生產(chǎn)。此外，鎵是從鋁土礦中提取鋁時(shí)的副產(chǎn)品，但目前經(jīng)常被丟棄，因此有效利用它也有助于減少材料損失。

據(jù)介紹，氧化鎵具有比SiC和GaN（氮化鎵）更大的帶隙能量等特征，作為實(shí)現(xiàn)低功耗、高耐壓、小型化的下一代功率器件的材料而受到關(guān)注。由于它是與硅不同的材料，因此在硅功率半導(dǎo)體短缺的情況下，它也有望提供穩(wěn)定的制造/采購。

在氧化鎵種類中，還有“β-Ga2O3” ，其晶體結(jié)構(gòu)與我們正在研究的α-Ga2O3不同。然而，在β-Ga2O3功率器件的情況下，有必要從β-Ga2O3體硅片本身的開發(fā)開始。因此，要開發(fā)出高品質(zhì)、高價(jià)格并能推向市場(chǎng)的功率器件，首先要提高晶圓質(zhì)量，降低成本?？紤]到即使是已經(jīng)擁有一定市場(chǎng)的SiC功率器件，晶圓（塊狀晶圓）也占器件成本的40%~60%，未來晶圓價(jià)格的降低也并非易事。

相比之下，α-Ga2O3功率器件可以通過使用成熟的技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上沉積薄膜來制造。由于可以使用現(xiàn)有的晶圓，因此芯片開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)和成本可以保持在較低水平。此外，藍(lán)寶石襯底的價(jià)格不到SiC晶圓的十分之一，從而可以降低成本并進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。據(jù)說其材料性能優(yōu)于β-Ga2O3。

雖然使用傳統(tǒng)方法在藍(lán)寶石基板上沉積薄膜存在技術(shù)障礙，但FLOSFIA開發(fā)了一種獨(dú)特的霧干燥方法，使得在藍(lán)寶石基板上沉積α-Ga2O3成為可能。霧化干燥法是一種利用原料溶液的霧狀和加熱部分通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生薄氧化膜的技術(shù)。FLOSFIA以京都大學(xué)藤田靜夫教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)的“霧氣CVD法”為基礎(chǔ)，將其發(fā)展成為“高取向”、“高純度”、“可量產(chǎn)”的薄膜沉積技術(shù)?！?因此，α-Ga2O3的缺點(diǎn)已被很大程度上克服。

消息顯示，F(xiàn)LOSFIA已將使用α-Ga2O3的SBD（肖特基勢(shì)壘二極管）商品化，商品名為“GaO SBD”，并已開始提供樣品。計(jì)劃于2024年開始量產(chǎn)，預(yù)計(jì)2025年開始在公司自有工廠全面生產(chǎn)，月產(chǎn)量為1至200萬臺(tái)。未來，他們計(jì)劃利用該代工廠將產(chǎn)能提高十倍。預(yù)計(jì)它將用于消費(fèi)和工業(yè)設(shè)備。

由于 EV（電動(dòng)汽車）的普及，功率器件市場(chǎng)正在快速增長(zhǎng)。近兩年，SiC功率器件的應(yīng)用數(shù)量不斷增加，市場(chǎng)初具規(guī)模。另一方面，SiC、GaN功率器件的價(jià)格已不再超預(yù)期下跌，功率半導(dǎo)體材料的穩(wěn)定供應(yīng)也出現(xiàn)問題。在此背景下，除SiC和GaN之外的下一代功率半導(dǎo)體材料引起了廣泛關(guān)注。

金剛石和氮化鋁也正在作為下一代功率半導(dǎo)體材料進(jìn)行研究。其中，α-Ga2O3被認(rèn)為具有非常優(yōu)異的材料性能，并且在ROI（投資回報(bào)率）方面是迄今為止最好的?？蛻舯в泻芨叩钠谕趸壱驯灰暈椤白钕矚g的材料”。SiC和GaN將在開發(fā)下一代功率器件市場(chǎng)方面發(fā)揮作用，氧化鎵將在擴(kuò)大該市場(chǎng)方面發(fā)揮作用。

從 2024 年開始量產(chǎn) GaO SBD，我們將增加電流和耐壓的變化。與此同時(shí)，F(xiàn)LOSFIA將繼續(xù)研究和開發(fā)使用α-Ga2O3的MOSFET，并將開發(fā)最大限度地發(fā)揮氧化鎵特性的封裝技術(shù)。

FLOSFIA表示，過去幾年，公司在GaO SBD的量產(chǎn)上確實(shí)遇到了困難。但在遇到重重阻礙的同時(shí)，公司反復(fù)改進(jìn)，終于達(dá)到了量產(chǎn)。從此，氧化鎵的時(shí)代將開始。有些人可能會(huì)想，“氧化鎵真的安全嗎？”因?yàn)樗麄円呀?jīng)受苦很久了。然而，在這些失去的歲月里，我們付出了很多努力和發(fā)展，也取得了成績(jī)。

請(qǐng)期待氧化鎵功率器件時(shí)代的開啟。

來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

審核編輯：湯梓紅