電子發燒友網報道（文/程文智）這幾年GaN和SiC等第三代半導體器件的商用化進展還不錯，GaN器件在快充上開始大規模應用，SiC器件也在汽車上嶄露頭角。現在大家對第三代半導體器件的前景非常看好，很多企業也一頭扎入了第三代半導體產業當中。

就在第三代半導體在商用化之路上高歌凱進的時候，第四代半導體材料也取得了不少進步。不久前，在與2021第十六屆“中國芯”集成電路產業促進大會同期舉辦的“寬禁帶半導體助力碳中和發展峰會”上，北京郵電大學電子工程學院執行院長張杰教授分享了《超寬禁帶半導體氧化鎵材料與器件研究》報告。

圖：北京郵電大學電子工程學院執行院長張杰教授在分享氧化鎵的研究成果

他在報告中表示，氧化鎵是被國際普遍關注并認可的第四代半導體材料，是日盲光電器件最佳材料。他介紹了氧化鎵材料的優勢、發展進程，以及北郵在氧化鎵材料研究方面取得的成果。

氧化鎵材料的優勢

后摩爾時代，具有先天性能優勢的寬禁帶半導體材料脫穎而出，將推動電力電子器件提高效率、提高密度、縮小尺寸、減輕重量、降低總成本。而超寬禁帶的禁帶寬度，決定了耐壓值、損耗、功率、頻率，以及使用等方面，超寬禁帶材料相對于硅基和第三代半導體材料都有優勢。

第四代半導體比較典型的材料有氧化鎵、金剛石等。據張杰教授透露，北歐對氧化鎵材料進行了長時間的研究工作。氧化鎵半導體材料，是目前國際上普遍關注和認可的下一代超寬禁帶代表性材料。

目前，對第四代半導體材料的研究和發展，已經進入了國際研究視野。與第三代半導體材料相比，第四代半導體材料在耐壓性能、頻率性能上又有一些新的提升。而且根據國際上著名出版集團每年對相關研究主題進行論文的學術統計，氧化鎵的研究工作進入科睿唯安2021研究前沿物理類，已經得到了研究上的推進。

在張杰教授看來，未來氧化鎵材料會在電力電子器件的應用上扮演相當重要的角色，因為與SiC材料相比，氧化鎵可以將導通電阻降低7倍，損耗降低86%，可以滿足功率半導體器件阻斷狀態可承受高電壓；導通狀態應具備高電流密度和低導通壓降；以及滿足開關時間短和損耗低的要求，非常適合電力電子器件的應用。

另外，氧化鎵材料的性能也很強大，帶隙寬度為4.9eV，擊穿場強高達8MV/cm、Baliga優值達到了3214，導通電阻也很低。更為重要的是，一旦批量生產，氧化鎵的成本僅為第三代半導體材料成本均值的1/3，它更具成本優勢。

另外一個氧化鎵材料應用，是利用它的超寬禁帶的屬性制作的光電子器件。也就是主要用于日盲光電器件，即紫外區域，波長短，禁帶寬。由于日盲紫外技術在紅外紫外雙色制導、導彈識別跟蹤、艦載通信等國防領域具有重大戰略意義。當然，除了國防，該技術在電網安全監測、醫學成像、海上搜救、環境與生化檢測等民生領域也有很重要的應用。

氧化鎵才來的發展進展

跟氮化鎵和碳化硅等第三代半導體材料相比，氧化鎵材料的研究水平要相對滯后。目前氧化鎵材料還主要停留在試驗研究和小批量商業供貨階段。但其前景其實還是很不錯的。首先，其元素儲量相對豐富，而且性能、能耗和未來成品率方面都算不錯。就目前來看，其產業化相對容易。

對氧化鎵材料的研究日本起步最早，2011年就開始大力發展與氧化鎵相關的技術研究了，目前日本的商業化水平也做得最好。美國在2018年也開始了對氧化鎵材料的研究。我國對材料的關注也在不斷加強，在十四五規劃里就將第三代半導體材料作為發展的重點，并且在科技規劃里，將超寬禁帶半導體材料列入了戰略研究布局。2018年我國也啟動了包括氧化鎵、金剛石、氮化硼等在內的超寬禁帶半導體材料的探索和研究。

目前在氧化鎵方面的研究，日本走在的最前列，日本的田村是世界上首家研發出氧化鎵單晶的公司，并進行了UVLED、紫外探測器的研發。張杰教授表示，目前全球只有田村有供給研究用的氧化鎵單晶襯底。另根據公開的資料顯示，田村在2017年的日本高新技術博覽會上推出了氧化鎵SBD功率器件。

關于氧化鎵材料的產業化進展方面，首先需要做材料襯底，單晶制作。目前氧化鎵的單晶制備方法有浮區法（FZ）、導模法（EFG）、提拉法（CZ）和垂直布里奇曼法（VB）幾種。國際上已經開始了單晶制備方面的研究，但都是做小規模的試驗應用。現在有兩條路線比較受歡迎，即導模法和提拉法。

根據這幾年的實踐，大家對導模法的成品率比較認可，可以滿足商業要求。大部分公司都采用了這一技術路線來制作單晶。田村商業供應的2英寸氧化鎵單晶采用的就是該技術。2016年田村還用導模法生產出了6英寸單晶，但是并沒有實現批量供貨。國內不同的大學和機構也已經在開展相關的研究工作了。2019年底，北郵成功實現了導模法生長3英寸的單晶。

制備單晶的最終目的是為了生產各種各樣的器件，目前在器件方面也有一些進展了。利用氧化鎵材料生產的功率器件將有更高的耐壓值，可以超越碳化硅和氮化鎵的物理極限。

最后，張杰教授還介紹了北郵在氧化鎵材料和器件研究方面取得的進展。據他介紹，北郵有一個信息光子學與光通信國家重點實驗室，其中一個研究團隊，重點做的就是氧化鎵材料和器件的研究。負責人是唐為華教授，他在氧化鎵領域工作了11年，重點解決了材料高腐蝕性、高揮發性以及易解理、多相共生等材料生長技術難點，滿足均勻性非常好的單晶材料。

張杰教授表示，該團隊不僅研究氧化鎵材料和器件，還對氧化鎵單晶材料的制備設備進行了研究。目前在器件方面，制作出了氧化鎵基日盲紫外探測器分立器件和陣列成像器件；還制作出了氧化鎵基肖特基二極管，實現了950V耐壓，導通電阻可達2毫歐。未來兩三年會制作出氧化鎵MOS器件。

結語

目前，氧化鎵材料可能并不是主流市場的商用化材料，但從目前的研究來看，氧化鎵材料在大功率、高效率電子器件中，在實驗室里，已經展示出非常好的一些性能，所以未來在大規模應用上，氧化鎵或許會有不錯的應用前景，不過在此之前，還有很多問題需要解決。