【产业新闻】正在扬帆启航的氧化镓

绕道摩尔定律，中科院研究员探索半导体的“杂交水稻”技术

当前，集成电路主要采用硅作为衬底材料。但与硅相比，磷化铟（InP）、氮化镓（GaN）、氧化镓（Ga₂O₃）等化合物半导体具有更丰富的能带结构和更优异的电学和光学特性。与此同时，硅材料已经接近了物理极限，如果将化合物半导体和硅结合，可以在保持原有器件和工艺尺寸的基础上继续推进微电子器件性能。

半导体异质集成技术就是将不同工艺节点的化合物半导体高性能器件或芯片与硅基低成本高集成器件芯片，通过异质键合成或外延生长等方式集成。这种化合物半导体异质集成技术类似于杂交水稻，可以将不同功能的材料组合在一起，取长补短、优势互补，异质材料界面产生更优异的电、光、声、热物理特性，可以实现更高功率、更高频率、更高速率的光子与电子器件。

中科院上海微系统所历来主攻方向之一是高端硅基材料及应用，上世纪80年代中期开展了绝缘体上硅（SOI）材料的研究。进入新世纪，SOI材料实现产业化，填补了国内空白。SOI类似三明治结构，在顶层硅和底层硅衬底之间引入一层二氧化硅。

除了高质量硅基磷化铟异质集成，他们也在研究高导热氧化镓异质集成晶圆。氧化镓被认为是继氮化镓、碳化硅后最有望实现产业化应用的一种宽禁带半导体材料，在功率器件领域具有应用前景，但其致命缺陷是热导率低、散热能力差，影响器件寿命。2018年起，游天桂团队探索把氧化镓与具有高热导率的衬底集成，从而帮助其散热，他们用离子束剥离与转移技术首次实现了晶圆级氧化镓单晶薄膜与高导热衬底（Si或SiC）的异质集成，氧化镓功率器件的散热能力提升4倍，解决了氧化镓器件的散热瓶颈。

游天桂团队也在探索解决高导热氧化镓异质集成晶圆的工艺难题。用离子束剥离与转移技术将两种材料“贴”在一起，由于材料热膨胀系数不同，温度升高，材料膨胀，产生应力，材料间相互拉扯易破坏异质集成材料。为此，材料间必须紧密贴合。不同于过去采用日本的键合技术，为实现自主可控，游天桂团队开发了热键合技术，既减小应力，也无需在真空环境中操作，更适合量产。

西安邮电大学重点实验室成功制备高耐压性能半导体材料

近日，我校由电子工程学院管理的新型半导体器件与材料重点实验室陈海峰教授团队成功在8寸硅片上制备出了高质量的氧化镓外延片，这一成果标志着我校在超宽禁带半导体研究上取得重要进展。

团队负责人陈海峰教授介绍，氧化镓是一种超宽禁带半导体材料，具有优异的耐高压与日盲紫外光响应特性，在功率器件和光电领域应用潜力巨大。硅上氧化镓异质外延有利于硅电路与氧化镓电路的直接集成，同时拥有成本低和散热好等优势。

新型半导体器件与材料重点实验室聘请中国科学院院士、微电子学与固体电子学家郝跃院士为首席科学家，团队师生共30余人，拥有完整的氧化镓工艺实验线及超净工艺间，主要研究超宽禁带氧化镓材料与器件。团队在氧化镓材料生长、器件制备、测试表征等方面具有丰富的科研经验，承担国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、陕西省教育厅基金资助的多个研究项目，在物理学报、半导体学报、IEEE Electron Device Letters、Journal of Applied Physics、IEEE Transactions on Electron Devices、Physics Letters A、Nanotechnology、Applied Surface Science、Carbon等发表研究论文100余篇，授权国家发明专利20余项。

耕耘在人工晶体的春天里

与两年前相比，走入公司展厅为记者作介绍时，张学锋的脸上多了一分喜悦，因为他酝酿了许久的新的研发项目目前已经有了实质性的推进。

新项目是第四代半导体材料氧化镓单晶材料研究及产业化，列入宁夏2022年重点研发计划。该项目是张学锋几年前就给自己立下的一面旗帜，他更希望通过自己的方式解决研发路上遇到的各种问题，而不是“抄作业”。

氧化镓是一种新型超宽禁带半导体材料，是被国际普遍认可的第四代半导体材料。与碳化硅、氮化镓等第三代半导体材料相比，氧化镓的成本更加低廉、性能更加优越，在超高压输电、高速铁路、航空航天及军事武器等关键领域具有巨大的应用价值，前景广阔。虽然氧化镓目前还处于研发阶段，但各国半导体企业都在争相布局。

“现状是国内外的生产成本非常高，4英寸的氧化镓晶片售价在4万元至6万元之间，这样的价格，在民用行业几乎不可能得到应用。我想通过自己的技术来解决这个生产效率比较低、生产成本比较高的问题，让氧化镓晶片能够应用在民用行业，做出来的产品让普通百姓用得起。”张学锋说。

一个研发项目从实验室转入产业化并非易事，有技术层面的无数挑战，亦有预想不到的市场风险。但是，张学锋决定放手一搏。由于张学锋的公司属于创新型小微企业，为了扩产申请银行贷款很难。为了争取投资，最近几个月，张学锋多次南下，目前正在合作洽谈中。此外，郑州大学也向他抛来了橄榄枝，双方经过筹备，计划今年4月挂牌成立联合研究院，共同擘画第四代半导体材料氧化镓单晶材料研究及产业化蓝图。

山西华芯半导体产业基地项目（二期）预计年底全面建成投产

据山西综改示范区官微信息，近日，山西综改示范区山西华芯半导体产业基地项目（二期）车间主体工程已开始建设，预计2023年底，该项目将全面建成投产。

基地负责人孟凡旗表示，山西华芯半导体产业基地将积极引进上下游企业，如设备类、芯片封装类企业，共同打造国内先进半导体产业集群。

来源： 亚洲氧化镓联盟