氧化镓技术工艺进展

近来，氧化镓(Ga2O3)作为一种“超宽禁带半导体”材料，得到了持续关注。超宽禁带半导体也属于“第四代半导体”，与第三代半导体碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)相比，氧化镓的禁带宽度达到了4.9eV，高于碳化硅的3.2eV和氮化镓的3.39eV，更宽的禁带宽度意味着电子需要更多的能量从价带跃迁到导带，因此氧化镓具有耐高压、耐高温、大功率、抗辐照等特性。并且，在同等规格下，宽禁带材料可以制造die size更小、功率密度更高的器件，节省配套散热和晶圆面积，进一步降低成本。

2022年8月，美国商务部产业安全局（BIS）对第四代半导体材料氧化镓和金刚石实施出口管制，认为氧化镓的耐高压特性在军事领域的应用对美国国家安全至关重要。此后，氧化镓在全球科研与产业界引起了更广泛的重视。

一、氧化镓的性能、应用和成本

1.1 第四代半导体材料

第一代半导体指硅(Si)、锗(Ge)等元素半导体材料；第二代半导体指砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等具有较高迁移率的半导体材料；第三代半导体指碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带半导体材料；第四代半导体指氧化镓(Ga2O3)、金刚石(C)、氮化铝(AlN)等超宽禁带半导体材料，以及锑化镓(GaSb)、锑化铟(InSb)等超窄禁带半导体材料。

第四代超宽禁带材料在应用方面与第三代半导体材料有交叠，主要在功率器件领域有更突出的应用优势。第四代超窄禁带材料的电子容易被激发跃迁、迁移率高，主要应用于红外探测、激光器等领域。第四代半导体全部在我国科技部的“战略性电子材料”名单中，很多规格国外禁运、国内也禁止出口，是全球半导体技术争抢的高地。第四代半导体核心难点在材料制备，材料端的突破将获得极大的市场价值。

图：按照禁带宽度排序的半导体材料

注：金刚石、氮化铝衬底/外延工艺难度大（气相法生长，每小时几微米，且尺寸仅毫米级）、成本高等问题，难进入功率器件领域。（Ref：H. Sheoran, et al., ACS Appl. Electron. Mater., 4, 2589, 2022）

1.2 氧化镓的晶体结构和性质

氧化镓有5种同素异形体，分别为α、β、γ、ε和δ。其中β-Ga2O3（β相氧化镓）最为稳定，当加热至一定高温时，其他亚稳态均转换为β相，在熔点1800℃时必为β相。目前产业化以β相氧化镓为主。

氧化镓材料性质：

• 超宽禁带，在超高低温、强辐射等极端环境下性能稳定，并且对应深紫外吸收光谱，在日盲紫外探测器有应用。
• 高击穿场强、高Baliga值，对应耐压高、损耗低，是高压高功率器件不可替代的明星材料。

注：由于日盲紫外器件主要使用氧化镓薄膜，本报告中的氧化镓特指单晶衬底，故主要讨论氧化镓在功率器件、射频器件等领域的应用。

1.3 氧化镓：挑战碳化硅

氧化镓是宽禁带半导体中唯一能够采用液相的熔体法生长的材料，并且硬度较低，材料生长和加工的成本均比碳化硅有优势，氧化镓将全面挑战碳化硅。

1. 氧化镓的功率性能好、损耗低

氧化镓的Baliga优值分别是GaN和SiC的四倍和十倍，导通特性好。氧化镓器件的功率损耗是SiC的1/7，也就是硅基器件的1/49。

2. 氧化镓的加工成本低

氧化镓的硬度比硅还软，因此加工难度较小，而SiC硬度高，加工成本极高。

3. 氧化镓的晶体品质好

氧化镓用液相的熔体法生长，位错（每平方厘米的缺陷个数）＜102cm-2，而SiC用气相法生长，位错个数约105cm-2。

4. 氧化镓的生长速度是SiC的100倍

氧化镓用液相的熔体法生长，每小时长10~30mm，每炉2天，而SiC用气相法生长，每小时长0.1~0.3mm，每炉7天。

5. 氧化镓晶圆的产线成本低，起量快

氧化镓的晶圆线与Si、GaN以及SiC的晶圆线相似度很高，转换的成本较低，有利于加速氧化镓的产业化进度。从日本经济新闻网报道的原文“Novel Crystal Technology在全球首次成功量产以新一代功率半导体材料氧化镓制成的100毫米晶圆，客户企业可以用支持100毫米晶圆的现有设备制造新一代产品，有效运用过去投资的老设备。”来看，氧化镓不像SiC需要特殊设备而必须新建产线，潜在可转换的产能已非常巨大。

1.4 氧化镓的应用领域：功率器件

氧化镓的四大机遇：

• 单极替换双极：即MOSFET替换IGBT，新能源车及充电桩、特高压、快充、工业电源、电机控制等功率市场中，淘汰硅基IGBT已是必然，硅基GaN、SiC、Ga2O3是竞争材料。
• 更加节能高效：氧化镓功率器件能耗低，符合碳中和、碳达峰的战略。
• 易大尺寸量产：扩径、生产简单，芯片工艺易实现，成本低。
• 可靠性要求高：材料稳定，结构可靠，高品质衬底/外延。

氧化镓的目标市场：

• 长期来说，氧化镓功率器件覆盖650V/1200V/1700V/3300V，预计2025年至2030年全面渗透车载和电气设备领域，未来也将在超高压的氧化镓专属市场发挥优势，如高压电源真空管等应用领域。
• 短期来说，预计氧化镓功率器件将在门槛较低、成本敏感的中高压市场率先出现，如消费电子、家电以及能发挥材料高可靠、高性能的工业电源等领域。

氧化镓容易取胜的市场：

• 新能源车OBC/逆变器/充电桩
• DC/DC：12V/5V→48V转换
• IGBT的存量市场
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图：氧化镓在功率器件的市场预测 （Ref：日本FLOSFIA公司）

1.5 氧化镓的应用领域：射频器件

GaN市场需要大尺寸、低成本的衬底，才能真正发挥GaN材料的优势。

同质衬底上生长同质外延的外延层品质是最好的，但由于GaN衬底价格很高，在LED、消费电子、射频等领域采用相对廉价的衬底，如Si、蓝宝石、SiC衬底，但这些衬底与GaN晶体结构的差异会造成晶格失配，相当于用成本牺牲了外延品质。当GaN同质外延GaN，才能用在激光器这类要求较高的应用场景。

GaN与氧化镓的晶格失配仅2.6%，以氧化镓衬底，异质外延生长的GaN品质高，且无铱法生长6寸氧化镓的成本接近硅，有望在GaN射频器件市场得到重要应用。

图：2英寸带有GaN外延层的Synoptics氧化镓晶体管 （Ref：美国空军研究实验室AFRL，2020）

表：GaN外延的衬底材料对比

（Ref：[1] 日本C&A公司；[2] S. B. Reese, et al., Joule, 3, 899, 2019, 美国可再生能源实验室(NREL)）

1.6 氧化镓行业相关政策

国内的支持政策：

美国禁运，呼唤国产化：

2022年8月12日，美国商务部产业安全局（BIS）对第四代半导体材料氧化镓（Ga2O3）和金刚石实施出口管制，认为其耐高压特性在军事领域的应用对美国国家安全至关重要。

二、氧化镓衬底的长晶与外延工艺

2.1 半导体材料的长晶工艺

熔体法是生长半导体材料最理想的方式，有以下几个优势。

• 尺寸大：小籽晶能够长出大晶体；
• 产量高：每炉晶锭可切出上千片衬底；
• 品质好：位错可趋于0，晶体品质很好；
• 长速快：每小时能够长几厘米，比气相法快得多。
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氧化镓是宽禁带半导体中唯一有常压液态的材料，即可用上述熔体法生长。氧化镓生长常用的直拉法为熔体法的一种，需要依赖铱坩埚（贵金属Ir单质），原因是直拉法生长氧化镓需要高温富氧的环境，否则原料容易分解成Ga和O2，影响产物，而只有贵金属铱坩埚能够在这种极端环境下保持稳定。

表：半导体材料的长晶工艺对比

图：直拉法生长氧化镓的示意图

（Ref：Y. Yuan,et al., Fundamental Research, 1, 697, 2021）

2.2 氧化镓的长晶工艺

由于直拉法原料挥发较多，氧化镓的长晶工艺从直拉法逐步演变为有铱盖和模具的导模法，两种方法均需使用铱坩埚，目前导模法已成为主流的氧化镓长晶方法。

然而由于铱坩埚的成本和损耗太高，生长几十炉后就会被腐蚀损耗，需要重新熔炼加工，且长晶过程中，铱会形成杂质进入晶体，产业界有很强的无铱法开发需求。

2022年4月，日本经济新闻网发布了一则消息，日本C&A公司采用一种铜坩埚的直拉法生长出2寸氧化镓单晶，能够将成本降至导模法的1/100。

图：两种有铱法生长氧化镓的示意图及其氧化镓单晶产物：（左）直拉法；（右）导模法

（Ref：K. Heinselman,et al., Cryst. Growth Des., 22, 4854, 2022；Y. Yuan, et al., Fundamental Research, 1, 697, 2021）

图：无铱法制备的氧化镓单晶 （Ref：日本C&A公司，2022）

氧化镓生长的工艺流程从原料在坩埚中熔化和拉晶开始，之后经过切、磨、抛的工序，形成氧化镓单晶衬底。再经过外延工艺，得到同质外延或异质外延结构，最终加工为氧化镓晶圆。