12024-21-4/氧化鎵——又一半導體材料

氧化鎵的別名是三氧化二鎵，氧化鎵（Ga2O3）是一種寬禁帶半導體，Eg=4.9eV，其導電性能和發光特性長期以來一直引起人們的注意。Ga2O3是一種透明的氧化物半導體材料，在光電子器件方面有廣闊的應用前景 ，被用作于Ga基半導體材料的絕緣層，以及紫外線濾光片。它還可以用作O2化學探測器。

氧化鎵在半導體領域的應用并不是一項嶄新的技術，在很多年前就有人對其展開了大量的研究，但這種材料原本不是用于功率元件的，最初是計劃用于LED（發光二極管）基板等而進行研發的。

氧化鎵的性能優勢

Ga 2 O 3 是金屬鎵的氧化物，同時也是一種半導體化合物。其結晶形態截至目前已確認有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β結構最穩定。與Ga 2 O 3 的結晶生長及物性相關的研究大部分圍繞β結構展開。研究人員曾試制了金屬半導體場效應晶體管，盡管屬于未形成保護膜鈍化膜的簡單結構，但是樣品已經顯示出耐壓高、泄漏電流小的特性。在使用碳化硅和氮化鎵制造相同結構的元件時，通常難以達到這些樣品的指標。

具體來看，β- Ga2 O3 的帶隙很大，達到4.8eV，這一數值為Si的4倍多，而且也超過了SiC的3.3eV及GaN的3.4eV。一般情況下，帶隙大的話，擊穿電場強度也會很大。β- Ga2 O3 的擊穿電場強度估計為8MV/cm左右，達到Si的20多倍，相當于SiC及GaN的2倍以上。

氧化鎵半導體的價格優勢

除了材料性能優異如帶隙比碳化硅和氮化鎵大，利用 Ga 2 O 3 作為半導體材料的主要原因是其生產成本較低。隨著氧化鎵晶體生長技術的突破性進展，氧化稼和藍寶石一樣，可以從溶液狀態轉化成塊狀（Bulk）單結晶狀態。可以通過運用與藍寶石晶圓生產技術相同的EFG（Edge-defined Film-fed Growth）方法，做出氧化鎵晶圓，成熟的生產工藝會大幅度降低生產成本。

氧化鎵半導體的市場前景

因為擁有如此多的優勢，氧化鎵被看作一個比氮化鎵擁有更廣闊前景的技術。

據市場調查公司--富士經濟于2019年6月5日公布的Wide Gap 功率半導體元件的全球市場預測來看，2030年氧化鎵功率元件的市場規模將會達到1542億日元（約人民幣92.76億元），這個市場規模要比氮化鎵功率元件的規模（1085億日元，約人民幣65.1億元）還要大！

氧化鎵半導體的應用發展趨勢

氧化鎵作為一種新興的功率半導體材料，其禁帶寬度大于硅，氮化鎵和碳化硅，在高功率應用領域的應用優勢愈加明顯。但這并不意味著氧化鎵一定會取代SiC和GaN，后兩者可能仍是硅之后的下一代主要半導體材料，他們會在不同的半導體領域發揮自己的獨特優勢。

氧化鎵更有可能在擴展超寬禁帶系統可用的功率和電壓范圍方面發揮作用。而最有希望的應用可能是電力調節和配電系統中的高壓整流器，如電動汽車和光伏太陽能系統。但在這之前，仍有很多工作要做。

參考來源：

[1]董林鵬.氧化鎵材料特性及光電探測器研究

[2]日本半導體的一張王牌.半導體觀察

[3]功率半導體氧化鎵到底是什么.電子產品世界

[4]郝躍院士談氧化鎵：致力于提供更高效的生活.半導體學報