2023年12月，日本Novel Crystal Technology宣布采用垂直布里奇曼（VB）法成功制備出直徑6英寸的β型氧化鎵（β-Ga2O3）單晶。通過增加單晶襯底的直徑和質量，可以降低β-Ga2O3功率器件的成本。

SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）作為功率器件材料而備受關注。β-Ga2O3具有比這些材料更大的帶隙能量。因此，很有可能為電動汽車、鐵路車輛和工業設備等設備實現更高性能的功率器件。

Novel Crystal Technology 此前已開發出采用 EFG（邊緣定義薄膜生長）方法的單晶制造技術。我們已經開發了 2 英寸和 100 毫米基板，并將其出售用于研究和開發目的。然而，為了廣泛普β-Ga2O3功率器件，降低成本至關重要，因此我們決定致力于增加單晶襯底的直徑。

采用VB法生長β-Ga2O3單晶的技術由信州大學發明，目前已生產出2英寸和4英寸的單晶。Novel Crystal Technology繼承了信州大學的培育技術，決定制造大直徑、高品質的β-Ga2O3基板。

VB法是將裝有原料的坩堝存放在具有溫度梯度的爐子中，待原料熔化后，將坩堝拉起并凝固的生長方法。因此，獲得與坩堝形狀相同的晶體。由于熔體在坩堝中凝固，因此還具有能夠生產多種表面取向的基材的優點。此外，由于它可以在溫度梯度小的環境中生長，因此與EFG法等提拉法相比，可以獲得更高質量的晶體。還可以改善摻雜劑濃度的面內均勻性。

使用VB法6英寸晶體生長裝置生產的晶體從籽晶到最終凝固部分都是透明的，表明它是單晶。最寬的恒定直徑部分的直徑超過 6 英寸。

日本產業技術綜合研究所利用一種被稱為“X射線形貌術”的晶體缺陷評價方法，對VB法和EFG法生長的單晶基板的質量進行了評價。結果發現，在使用EFG方法制造的基板中以高密度出現線狀缺陷。與此相對，可以確認在利用VB法制造的基板中幾乎沒有產生線狀缺陷。

氧化鎵時代，即使到來

FLOSFIA 是京都大學的一家企業，研究“剛玉結構氧化鎵 (α-Ga2O3)”，并使用這種材料制造和銷售功率器件。該公司成立于2011年，最近的營業收入約為3億日元。我們還使用我們獨特的薄膜沉積技術“霧干法”進行合同薄膜沉積。

在FLOSFIA 看來，通過使用氧化鎵功率器件來減少功率轉換過程中的損耗，從而減少能量損耗。電能轉換損失產生的電力占總發電量的10%以上。FLOSFIA開發的Ga2O3在“Variga品質因數”中具有比硅（Si）高約6,000倍的材料特性，這表明該材料具有減少能量損失的潛力，并且可以為減少能量損失做出貢獻。

從減少工藝損失的角度來看，SiC（碳化硅）的生產需要1500～2000℃的高溫環境，而α-Ga2O3可以在500℃以下的環境下生產。此外，鎵是從鋁土礦中提取鋁時的副產品，但目前經常被丟棄，因此有效利用它也有助于減少材料損失。

據介紹，氧化鎵具有比SiC和GaN（氮化鎵）更大的帶隙能量等特征，作為實現低功耗、高耐壓、小型化的下一代功率器件的材料而受到關注。由于它是與硅不同的材料，因此在硅功率半導體短缺的情況下，它也有望提供穩定的制造/采購。

在氧化鎵種類中，還有“β-Ga2O3” ，其晶體結構與我們正在研究的α-Ga2O3不同。然而，在β-Ga2O3功率器件的情況下，有必要從β-Ga2O3體硅片本身的開發開始。因此，要開發出高品質、高價格并能推向市場的功率器件，首先要提高晶圓質量，降低成本。考慮到即使是已經擁有一定市場的SiC功率器件，晶圓（塊狀晶圓）也占器件成本的40%~60%，未來晶圓價格的降低也并非易事。

相比之下，α-Ga2O3功率器件可以通過使用成熟的技術在藍寶石襯底上沉積薄膜來制造。由于可以使用現有的晶圓，因此芯片開發的風險和成本可以保持在較低水平。此外，藍寶石襯底的價格不到SiC晶圓的十分之一，從而可以降低成本并進行大規模生產。據說其材料性能優于β-Ga2O3。

雖然使用傳統方法在藍寶石基板上沉積薄膜存在技術障礙，但FLOSFIA開發了一種獨特的霧干燥方法，使得在藍寶石基板上沉積α-Ga2O3成為可能。霧化干燥法是一種利用原料溶液的霧狀和加熱部分通過化學反應產生薄氧化膜的技術。FLOSFIA以京都大學藤田靜夫教授領導的研究小組開發的“霧氣CVD法”為基礎，將其發展成為“高取向”、“高純度”、“可量產”的薄膜沉積技術。” 因此，α-Ga2O3的缺點已被很大程度上克服。

消息顯示，FLOSFIA已將使用α-Ga2O3的SBD（肖特基勢壘二極管）商品化，商品名為“GaO SBD”，并已開始提供樣品。計劃于2024年開始量產，預計2025年開始在公司自有工廠全面生產，月產量為1至200萬臺。未來，他們計劃利用該代工廠將產能提高十倍。預計它將用于消費和工業設備。

由于 EV（電動汽車）的普及，功率器件市場正在快速增長。近兩年，SiC功率器件的應用數量不斷增加，市場初具規模。另一方面，SiC、GaN功率器件的價格已不再超預期下跌，功率半導體材料的穩定供應也出現問題。在此背景下，除SiC和GaN之外的下一代功率半導體材料引起了廣泛關注。

金剛石和氮化鋁也正在作為下一代功率半導體材料進行研究。其中，α-Ga2O3被認為具有非常優異的材料性能，并且在ROI（投資回報率）方面是迄今為止最好的。客戶抱有很高的期望，氧化鎵已被視為“最喜歡的材料”。SiC和GaN將在開發下一代功率器件市場方面發揮作用，氧化鎵將在擴大該市場方面發揮作用。

從 2024 年開始量產 GaO SBD，我們將增加電流和耐壓的變化。與此同時，FLOSFIA將繼續研究和開發使用α-Ga2O3的MOSFET，并將開發最大限度地發揮氧化鎵特性的封裝技術。

FLOSFIA表示，過去幾年，公司在GaO SBD的量產上確實遇到了困難。但在遇到重重阻礙的同時，公司反復改進，終于達到了量產。從此，氧化鎵的時代將開始。有些人可能會想，“氧化鎵真的安全嗎？”因為他們已經受苦很久了。然而，在這些失去的歲月里，我們付出了很多努力和發展，也取得了成績。

請期待氧化鎵功率器件時代的開啟。

來源：半導體行業觀察

審核編輯：湯梓紅