電子產(chǎn)業(yè)未來(lái)的材料——氧化鎵（Ga2O3）

可以說(shuō)，人類在20世界下半葉開(kāi)始，絕大部分的科技成果都建立在電子計(jì)算機(jī)之上，而半導(dǎo)體材料，就是各類現(xiàn)代信息技術(shù)的基石。自上世紀(jì)50年代，以硅和鍺為代表的第一代半導(dǎo)體材料為人類信息技術(shù)的高速發(fā)展走出了第一步；時(shí)間來(lái)到20世紀(jì)90年代，第二代半導(dǎo)體橫空出世，以砷化鎵、磷化銦為代表的材料為人類在無(wú)線電通訊、微波雷達(dá)及紅光 LED方面起到了舉足輕重的作用；而近十年來(lái)，也被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料的氮化鎵和碳化硅、氧化鋅等第三代半導(dǎo)體，直接推動(dòng)了功率器件、短波長(zhǎng)光電器件、光顯示、光存儲(chǔ)、 光探測(cè)、透明導(dǎo)電等領(lǐng)域的高速發(fā)展。在摩爾定律已經(jīng)走到瓶頸的今天，禁帶寬度更大的金剛石、氧化鎵、AlN 及 BN 等超寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有更加優(yōu)異的物理性能，一定能在未來(lái)對(duì)信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展做出重要的影響。

自2022年8月15日，美國(guó)簽署的關(guān)于金剛石和氧化鎵的對(duì)華出口禁令正式開(kāi)始生效，一時(shí)間，將氧化鎵，這個(gè)大眾平時(shí)不怎么關(guān)注的第四代半導(dǎo)體技術(shù)推向了輿論的風(fēng)口浪尖，本來(lái)現(xiàn)在基本上處于實(shí)驗(yàn)室階段的材料，一下子獲得了許多關(guān)注，那么，什么是氧化鎵呢？

說(shuō)到氧化鎵，不得不提他的孿生兄弟——氮化鎵（GaN）。相比于氧化鎵來(lái)說(shuō)，氮化鎵就和普羅大眾的生活近了很多，現(xiàn)在手機(jī)百瓦的充電器，有很多都用了氮化鎵技術(shù)，它們?cè)隗w積相對(duì)小的同時(shí)，還做到了高電壓大電流的急速充電效率，在電池技術(shù)難以突破的今天，曲線救國(guó)，為眾多消費(fèi)者緩解了電量焦慮。這是我們看得見(jiàn)的地方，在我們視野的盲區(qū)它已經(jīng)在雷達(dá)和5G無(wú)線技術(shù)中得到了應(yīng)用，很快將在電動(dòng)汽車的逆變器中普及。氮化鎵能讓射頻放大器更強(qiáng)更高效，能讓電子設(shè)備更輕、更小。但是，這樣就夠了嗎？不安于現(xiàn)狀是我們?nèi)祟愖顑?yōu)秀的品質(zhì)之一，我們能不能找到比氮化鎵更好的材料呢？能不能讓我們的電子設(shè)備更小，更高效呢？于是，氧化鎵誕生了，它回答了我們的疑問(wèn)：“是的，我們能。”

氧化鎵

說(shuō)到氧化鎵的高效，我們要引入一個(gè)新的概念——能隙。在百度百科上，能隙是這樣被解釋的：能隙是導(dǎo)帶的最低點(diǎn)和價(jià)帶的最高點(diǎn)的能量之差。能隙越大，電子由價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶越難，本征載流子濃度就越低，電導(dǎo)率也就越低。簡(jiǎn)單來(lái)講，能隙在宏觀中，最明顯的表現(xiàn)就是：能隙越大，這種材料就能承載更大的電壓。事實(shí)上，自然界中能隙比氧化鎵大的材料還有很多，但是作為電子材料來(lái)講，它們都有一般都有一個(gè)致命的問(wèn)題——不能導(dǎo)電（倒不如說(shuō)，就因?yàn)椴粚?dǎo)電，所以能隙高）。但是氧化鎵確實(shí)個(gè)難得的導(dǎo)電高能隙材料，接近5eV的能隙使它能承載電壓的潛力非常巨大，作為對(duì)比硅的能隙為1.1eV，而現(xiàn)在的寵兒氮化鎵為3.4eV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上氧化鎵。還有重要的一點(diǎn)，氧化鎵相對(duì)低廉的造價(jià)也是其他高能隙材料算不具備的（比如金剛石）。不僅如此，氧化鎵還具有一些獨(dú)特的特性，它可以通過(guò)摻雜的形式，自由控制其中載流子的數(shù)量，在氧化鎵中加入磷，便能增加自由電子，加入硼就能減少自由電子數(shù)量。

目前有六種氧化鎵晶體，其中最穩(wěn)定的是β、其次是ε和α。作為最穩(wěn)定β型氧化鎵晶體，對(duì)于它的研究自然是最多，且最成熟的。這主要要感謝日本筑波的日本國(guó)家材料科學(xué)研究所和柏林萊布尼茨晶體研究所的開(kāi)拓性工作。

β型氧化鎵擁有良好的熱穩(wěn)定性，這就意味著它可以十分容易的商業(yè)化量產(chǎn)，和制造傳統(tǒng)硅晶體一樣可以使用“提拉法”，而我國(guó)的山東大學(xué)晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也在2017年提出過(guò)利用導(dǎo)模法來(lái)生產(chǎn)高質(zhì)量氧化鎵單晶的方法。對(duì)比于其他新興半導(dǎo)體材料，比如它的上一代氮化鎵，氧化鎵的盛昌甚至不需要基座，氧化鎵可以使用自己作為基座，這就意味著它沒(méi)有氮化鎵那種由于需要使用硅、碳化硅或藍(lán)寶石作為基底，而出現(xiàn)的“晶格失配”（由基底晶體結(jié)構(gòu)明顯不同于氮化鎵的晶體結(jié)構(gòu)引起）現(xiàn)象，從而使氧化鎵的良品率有很大的提升。高性能、高能隙、生產(chǎn)相對(duì)容易且造價(jià)相對(duì)低，這是得氧化鎵氧化鎵晶體在未來(lái)半導(dǎo)體行業(yè)有著無(wú)與倫比的潛力和優(yōu)勢(shì)。

600納米的微觀圖以及其承受200V電壓

由于氧化鎵能承受巨大的電壓而不被擊穿，說(shuō)到其應(yīng)用，自然是作為開(kāi)關(guān)最合適不過(guò)了。早在2012年日本國(guó)家信息與通信技術(shù)研究所的東脅正高就發(fā)現(xiàn)了其潛力，其團(tuán)隊(duì)使用β型氧化鎵制造了一種名為“金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管”的開(kāi)關(guān)器件。這種晶體管在距離僅有600納米的情況下，可以承受近200V的高電壓而不被擊穿，震驚了整個(gè)半導(dǎo)體界。而這還不是氧化鎵價(jià)值最大的地方。它真正厲害的地方在于可以大幅降低功率損耗。這里需要引入另一個(gè)概念電場(chǎng)強(qiáng)度（Ec），一般Ec可以理解為半導(dǎo)體材料開(kāi)始導(dǎo)電時(shí)的電場(chǎng)，硅的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度通常為每厘米幾百千伏，而氧化鎵的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度為每厘米8兆伏。對(duì)于半導(dǎo)體設(shè)備來(lái)說(shuō)，大部分的功率損耗來(lái)自于設(shè)備開(kāi)啟瞬間的電流阻力，對(duì)于開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)，Ec的值越高，就意味著開(kāi)關(guān)之間可以離得越近，就可以使用更加薄的的器件，而更少的間距直接導(dǎo)致了其開(kāi)啟瞬間的電流阻力更小，因此可以使設(shè)備的功率損耗大幅降低。順著這條路線，氧化鎵便開(kāi)始飛速發(fā)展：2013年，研究人員研發(fā)了擊穿電壓為370伏的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。2016年，當(dāng)時(shí)在NICT東脅團(tuán)隊(duì)工作的王文海（Man Hoi Wong，音）利用一種名為“場(chǎng)鍍”（field plating）的附加結(jié)構(gòu)將擊穿電壓提高到了750伏。僅僅只用了4年時(shí)間，氧化鎵的走完了前輩氮化鎵數(shù)十年的發(fā)展道路。

氧化鎵超高的臨界點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)度

然而，這世界上并沒(méi)有十全十美的事物，氧化鎵也不例外，優(yōu)點(diǎn)如此突出的半導(dǎo)體材料，自然也有一些突出的缺點(diǎn)。對(duì)于氧化鎵來(lái)說(shuō)，器件的散熱就是最大的問(wèn)題。氧化鎵很有可能使目前導(dǎo)熱能力最差的半導(dǎo)體材料之一，氧化鎵的熱導(dǎo)率只有金剛石的1/60，碳化硅（高性能射頻氮化鎵的基底）的1/10，約為硅的1/5，過(guò)低的導(dǎo)熱率可能會(huì)導(dǎo)致器件長(zhǎng)期處于高熱的工作壞境之中，這將會(huì)對(duì)設(shè)備的使用壽命發(fā)起挑戰(zhàn)。但是，作為能積極改造自然界的人類，對(duì)于改進(jìn)器件的散熱能力，早已是身經(jīng)百戰(zhàn)，每種帶隙比硅大的半導(dǎo)體（甚至是金剛石）在充分發(fā)揮其潛能時(shí)，都有散熱問(wèn)題而我們的工程師們往往都能最大程度的解決問(wèn)題，將材料的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到最大。對(duì)于氧化鎵散熱問(wèn)題來(lái)說(shuō)，已經(jīng)有人走到了前列，日本的國(guó)家信息與通信技術(shù)研究所就將氧化鎵和p型多晶碳化硅粘接組合到了一起，現(xiàn)在已經(jīng)取得了一定的實(shí)驗(yàn)成果；而美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員在氧化鎵上方大約一微米的區(qū)域使用介質(zhì)和填料，將熱量分散，均勻的導(dǎo)出到散熱器之中，這種方法也取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

不僅如此，氧化鎵幾乎無(wú)法形成可以利用的空穴，這也就意味著它無(wú)法實(shí)現(xiàn)空穴導(dǎo)電，所以氧化鎵基本上于制造P型半導(dǎo)體無(wú)緣，而且這是分子結(jié)構(gòu)層面的問(wèn)題，幾乎沒(méi)有解決的方法。但是，瑕不掩瑜，氧化鎵的高能隙、低功率損耗的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)十分突出，氧化鎵這種材料潛力巨大。未來(lái)，氧化鎵這種新型半導(dǎo)體材料一定能為快速開(kāi)關(guān)、多千伏級(jí)功率晶體管和射頻器件領(lǐng)域帶來(lái)一定程度上的顛覆。

如今，正值半導(dǎo)體發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期：摩爾定律的失效、芯片制程逐漸逼近物理極限，還有在政治上美方對(duì)我國(guó)半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)的種種制裁，都預(yù)示著在未來(lái)的芯片領(lǐng)域，將有一場(chǎng)巨大的較量。氧化鎵這種關(guān)鍵革命性材料的研究變成了我國(guó)打破芯被“卡脖子”的重中之重，我們?cè)诎倌昵板e(cuò)過(guò)了第一次工業(yè)革命和電氣革命，迎來(lái)了百年的苦難歷史，而如今的計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的又一次革命，我們現(xiàn)在又空前的實(shí)力去抓住它，一旦成功，我國(guó)將一躍從制造大國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞆?qiáng)國(guó)，實(shí)現(xiàn)真正的百年未有之大變局。

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