研发报告详细内容

氧化镓——又一半导体材料

      材料来源:宽禁带半导体技术创新联盟

氧化镓的别名是三氧化二镓,氧化镓(Ga2O3)是一种宽禁带半导体,Eg=4.9eV,其导电性能和发光特性长期以来一直引起人们的注意。Ga2O3是一种透明的氧化物半导体材料,在光电子器件方面有广阔的应用前景 ,被用作于Ga基半导体材料的绝缘层,以及紫外线滤光片。它还可以用作O2化学探测器。

氧化镓在半导体领域的应用并不是一项崭新的技术,在很多年前就有人对其展开了大量的研究,但这种材料原本不是用于功率元件的,最初是计划用于LED(发光二极管)基板等而进行研发的。

 氧化镓的性能优势  
Ga 2 O 3 是金属镓的氧化物,同时也是一种半导体化合物。其结晶形态截至目前已确认有α、β、γ、δ、ε五种,其中,β结构最稳定。与Ga 2 O 3 的结晶生长及物性相关的研究大部分围绕β结构展开。研究人员曾试制了金属半导体场效应晶体管,尽管属于未形成保护膜钝化膜的简单结构,但是样品已经显示出耐压高、泄漏电流小的特性。在使用碳化硅和氮化镓制造相同结构的元件时,通常难以达到这些样品的指标。

具体来看,β- Ga2 O3 的带隙很大,达到4.8eV,这一数值为Si的4倍多,而且也超过了SiC的3.3eV及GaN的3.4eV。一般情况下,带隙大的话,击穿电场强度也会很大。β- Ga2 O3 的击穿电场强度估计为8MV/cm左右,达到Si的20多倍,相当于SiC及GaN的2倍以上。
 
 氧化镓半导体的价格优势 
除了材料性能优异如带隙比碳化硅和氮化镓大,利用 Ga 2 O 3 作为半导体材料的主要原因是其生产成本较低。随着氧化镓晶体生长技术的突破性进展,氧化稼和蓝宝石一样,可以从溶液状态转化成块状(Bulk)单结晶状态。可以通过运用与蓝宝石晶圆生产技术相同的EFG(Edge-defined Film-fed Growth)方法,做出氧化镓晶圆,成熟的生产工艺会大幅度降低生产成本。

 氧化镓半导体的市场前景 
因为拥有如此多的优势,氧化镓被看作一个比氮化镓拥有更广阔前景的技术。

据市场调查公司--富士经济于2019年6月5日公布的Wide Gap 功率半导体元件的全球市场预测来看,2030年氧化镓功率元件的市场规模将会达到1542亿日元(约人民币92.76亿元),这个市场规模要比氮化镓功率元件的规模(1085亿日元,约人民币65.1亿元)还要大!
 
 氧化镓半导体的应用发展趋势 
氧化镓作为一种新兴的功率半导体材料,其禁带宽度大于硅,氮化镓和碳化硅,在高功率应用领域的应用优势愈加明显。但这并不意味着氧化镓一定会取代SiC和GaN,后两者可能仍是硅之后的下一代主要半导体材料,他们会在不同的半导体领域发挥自己的独特优势。

氧化镓更有可能在扩展超宽禁带系统可用的功率和电压范围方面发挥作用。而最有希望的应用可能是电力调节和配电系统中的高压整流器,如电动汽车和光伏太阳能系统。但在这之前,仍有很多工作要做。

参考来源:
[1]董林鹏.氧化镓材料特性及光电探测器研究
[2]日本半导体的一张王牌.半导体观察
[3]功率半导体氧化镓到底是什么.电子产品世界
[4]郝跃院士谈氧化镓:致力于提供更高效的生活.半导体学报
 
 
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