國內(nèi)第一！這顆6英寸氧化鎵單晶擊碎“卡脖子”

2月27日，中國電子科技集團有限公司（中國電科）宣布，近日，中國電科46所成功制備出我國首顆6英寸氧化鎵單晶，達到國際最高水平。

01、中國電科46所 成功制備6英寸氧化鎵單晶

氧化鎵，是繼Si、SiC及GaN后的第四代寬禁帶半導體材料，以β-Ga2O3單晶為基礎材料的功率器件具有更高的擊穿電壓與更低的導通電阻，從而擁有更低的導通損耗和更高的功率轉換效率，在功率電子器件方面具有極大的應用潛力。

但因具有高熔點、高溫分解以及易開裂等特性，大尺寸氧化鎵單晶制備極為困難。

中國電科46所氧化鎵團隊聚焦多晶面、大尺寸、高摻雜、低缺陷等方向，從大尺寸氧化鎵熱場設計出發(fā)，成功構建了適用于6英寸氧化鎵單晶生長的熱場結構，突破了 6 英寸氧化鎵單晶生長技術，具有良好的結晶性能，可用于6英寸氧化鎵單晶襯底片的研制，將有力支撐我國氧化鎵材料實用化進程和相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

02、氧化鎵VS碳化硅

以碳化硅(SiC)為代表的寬禁帶半導體材料，憑借耐高溫、抗高壓、開關速度快、效率高、節(jié)能、壽命長等特點，近年來被國內(nèi)外相關企業(yè)持續(xù)關注和布局。

目前，寬禁帶半導體發(fā)展勢頭正猛，超禁帶半導體也悄然入局。氧化鎵（Ga2O3）作為第四代半導體的代表，被視為“替代碳化硅和氮化鎵”的新一代半導體材料。

氧化鎵相對于碳化硅，具備超寬禁帶寬度（4.2~4.9eV）、高相對介電系數(shù)、超高臨界擊穿場強（8MV/cm）、較短的吸收截止邊及超強的透明導電性等優(yōu)異的物理性能。氧化鎵器件的導通特性幾乎是于碳化硅的10倍，理論擊穿場強是碳化硅的3倍多。

此外，它的化學和熱穩(wěn)定性也較為良好，同時能以比碳化硅和氮化鎵更低的成本獲得大尺寸、高質量、可摻雜的塊狀單晶。

但另一方面，氧化鎵的遷移率和導熱率低，不及碳化硅和氮化鎵，可能受到自熱效應影響，從而導致設備性能下降；氧化鎵實現(xiàn)p型摻雜難度較大，難以制造p型半導體，成為實現(xiàn)高性能器件的主要障礙。

03、氧化鎵成擊碎“卡脖子”的新機遇？

未來，氧化鎵主要應用于通信、雷達、航空航天、高鐵動車、新能源汽車等領域的輻射探測領域的傳感器芯片，以及在大功率和超大功率芯片。

目前，各國半導體企業(yè)都在爭相布局氧化鎵，但均在產(chǎn)業(yè)化前夜。氧化鎵或許可以成為突破“卡脖子”的機遇。

國際方面，日本較為領先。早在2008年，京都大學的藤田教授就發(fā)布了氧化鎵深紫外線檢測和SchottkyBarrier Junction、藍寶石（Sapphire）晶圓上的外延生長（Epitaxial Growth）等研發(fā)成果。

2012年，日本率先實現(xiàn)2英寸氧化鎵材料的突破，NCT氧化鎵材料尺寸可達到6英寸；2015年，推出了高質量氧化鎵單晶襯底，2016年又推出了同質外延片，此后基于氧化鎵材料的器件研究成果開始爆發(fā)式出現(xiàn)，各國開始爭相布局。

國內(nèi)方面，2017年，科技部高新司從出臺的重點研發(fā)計劃，把“氧化鎵”列入到其中；2018年，北京市科委對前沿新材料率先開展了研究工作，并且把“氧化鎵”列為重點項目。

據(jù)了解，目前我國從事氧化鎵材料和器件研究單位，主要是中電科46所、西安電子科技大學、山東大學、上海光機所、上海微系統(tǒng)所、復旦大學、南京大學等高校及科研院所；企業(yè)方面有銘鎵半導體、深圳進化半導體、北京鎵族科技、杭州富加鎵業(yè)等。

中國電科46所分別于2016年和2018年相繼制備出了國內(nèi)第一片高質量的2英寸氧化鎵單晶和4英寸氧化鎵單晶。

2022年3月，中國電科46所再次成功研制出擁有自主知識產(chǎn)權的高耐壓性能半導體材料——HVPE氧化鎵同質外延片，填補了國內(nèi)技術空白。

同年12月，銘鎵半導體使用導模法成功制備了高質量4英寸（001）主面氧化鎵（β-Ga2O3）單晶，完成了4英寸氧化鎵晶圓襯底技術突破。（文：化合物半導體市場 Amber）