全方位對(duì)比分析，為什么氧化鎵才是迄今為止最好的芯片材料？
關(guān)鍵詞： 光刻機(jī) 芯片 半導(dǎo)體
芯片材料是繞開光刻機(jī)的一種重要途徑，這方面其實(shí)美國(guó)也在做，美國(guó)一家新創(chuàng)企業(yè)就嘗試將碳納米管注入芯片中，由此以90納米工藝生產(chǎn)的芯片性能卻比7納米硅基芯片還要強(qiáng)50倍，而功耗卻更低。
除了碳基芯片之外，全球芯片行業(yè)還在研發(fā)的芯片還有光芯片、量子芯片等，這些方面其實(shí)中國(guó)也在推進(jìn)，中國(guó)已籌建了全球第一條光子芯片、量子芯片生產(chǎn)線，加速這些先進(jìn)芯片技術(shù)的發(fā)展。
第四代芯片材料
此外其實(shí)還有第三代、第四代芯片材料等，在第三代芯片材料方面中國(guó)在氮化鎵等方面已基本與海外保持同步，氮化鎵芯片已廣泛應(yīng)用于LED、汽車芯片、充電器等行業(yè)，在第三代芯片材料方面取得進(jìn)展之后，全球芯片行業(yè)如今開始瞄準(zhǔn)第四代芯片材料。
第四代芯片材料之一就是氧化鎵，氧化鎵具有更低的導(dǎo)通電阻、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度等特性，在太陽(yáng)能、汽車芯片等行業(yè)又廣泛應(yīng)用，對(duì)中國(guó)芯片來(lái)說(shuō)更重要的是繞開EUV光刻機(jī)的限制，打破摩爾定律，開辟芯片技術(shù)新道路。
在氧化鎵芯片材料研發(fā)方面，中國(guó)已與美國(guó)、日本等展開較量，依托于雄厚的芯片技術(shù)實(shí)力，美國(guó)無(wú)疑在氧化鎵材料方面居于領(lǐng)先地位，正是由于它所擁有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，美國(guó)商務(wù)部在2022年發(fā)布一項(xiàng)新規(guī)，對(duì)包括氧化鎵在內(nèi)的四種技術(shù)實(shí)現(xiàn)出口管制，針對(duì)的無(wú)疑就是中國(guó)芯片。
美國(guó)還拉攏了日本，日本在氧化鎵方面也具有很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，日本在全球最先實(shí)現(xiàn)了6英寸的氧化鎵晶圓的制備。日本其實(shí)在芯片材料方面一直都有很強(qiáng)的實(shí)力，日本至今仍然占有硅晶圓市場(chǎng)六成的市場(chǎng)份額，臺(tái)積電這家全球最大的芯片代工廠都要從日本進(jìn)口硅晶圓，如此也就不奇怪日本在氧化鎵晶圓方面取得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)了。
中國(guó)芯片行業(yè)當(dāng)然不會(huì)被美國(guó)的做法阻擋，中國(guó)在芯片技術(shù)基礎(chǔ)方面也有不小的積累，這得益于中國(guó)很早就建立自己的工業(yè)基礎(chǔ)體系，這種體系在如今光刻機(jī)的發(fā)展中就有所體現(xiàn)，美國(guó)通過(guò)拉攏全球諸多經(jīng)濟(jì)體阻止對(duì)中國(guó)出口光刻機(jī)等芯片設(shè)備，中國(guó)卻迅速發(fā)展起自己的芯片設(shè)備體系，就證明了這個(gè)實(shí)力。
在氧化鎵材料研發(fā)方面，其實(shí)中國(guó)在全球也是居于前列，日前西安郵電大學(xué)就宣布研發(fā)成功8英寸氧化鎵晶圓，如此一下子就超越了日本和美國(guó)，這意味著中國(guó)在第四代芯片材料方面已取得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。
世界最強(qiáng)半導(dǎo)體——氧化鎵
氮化鎵的性能已是出類拔萃，但是它還不是最強(qiáng)的。世界最強(qiáng)半導(dǎo)體材料就目前的指標(biāo)而言，是氧化鎵。
氧化鎵的禁帶寬公開報(bào)道是4.9eV，砷化鎵的禁帶寬為1.6eV，氮化鎵是3.36eV。另?yè)?jù)報(bào)道，硅的禁帶寬為1.1eV，如果干癟的數(shù)字不好比較，那我們就打一個(gè)比方：假如4.9eV與3.36eV相差的是一英里的話，那么4.9eV與1.1eV的距離就是一個(gè)馬拉松。
然而報(bào)道中的氧化鎵4.9eV的禁帶寬并不是它的實(shí)際數(shù)據(jù)，因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室條件下還無(wú)法探測(cè)氧化鎵禁帶寬度邊界。對(duì)于半導(dǎo)體材料禁帶寬檢測(cè)，一般在為15到20微米半導(dǎo)體材料上進(jìn)行，由于氧化鎵能力強(qiáng)，這么大的面積根本無(wú)法檢測(cè)到邊界，因此降至600納米，探到的數(shù)值為近5eV，但據(jù)推算，當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)部可能達(dá)到8eV，而且這還不是它的邊界。也就是說(shuō)，在禁帶寬度方面，氮化鎵與氧化鎵的距離有好幾個(gè)馬拉松。2017年時(shí)，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室還展示了1千兆赫時(shí)，脈沖射頻功率輸出密度超過(guò)每毫米500毫瓦的情況，最大振蕩頻率接近20千兆赫。表明氧化鎵的JFOM明顯優(yōu)于氮化鎵。
美國(guó)2022年把氧化鎵列入出口管制，當(dāng)時(shí)他們看到的不是氧化鎵的禁帶寬度，而是氧化鎵的耐高壓。
與氮化鎵歷經(jīng)20年才達(dá)到每厘米8兆伏不同，氧化鎵第一次嘗試內(nèi)部電場(chǎng)峰值就至少達(dá)到了每厘米5.3兆伏。需要注意的是，它的數(shù)據(jù)也是在600納米條件下實(shí)現(xiàn)的。
在實(shí)驗(yàn)中，氧化鎵在使用過(guò)程中幾乎沒有能量損耗，而且好像一直于開啟狀態(tài)。這可能源于柵極-漏極間隙通常只有15到20微米，這讓它的寄生電阻很小，小到可以忽略。2017年的時(shí)候，氧化鎵的耐壓試驗(yàn)已達(dá)600伏，這個(gè)電壓，氮化鎵用了二十多年。
但是想要做第四代中最強(qiáng)的半導(dǎo)體，單有禁帶寬與耐高壓是不夠的。
氧化鎵可以通過(guò)摻雜的方法，在氧化鎵中加入電荷載流子，使其更具導(dǎo)電性。而且這個(gè)摻雜與硅材料摻雜有極大相似性。對(duì)于硅，可以使用離子注入法，然后退火處理，在晶體中摻雜磷（以添加自由電子）或硼（以減去自由電子），從而使電荷能夠自由移動(dòng)。對(duì)于氧化鎵，可以用同樣的方法在晶體中摻雜硅來(lái)添加電子。這個(gè)方法只有氧化鎵能做，像其它的四代半導(dǎo)體金剛石等則會(huì)引起電荷卡死，提高不良率。
氧化鎵還有一個(gè)特性是其它半導(dǎo)體材料不具備的。那就是它的晶棒也可以用硅材料生成化制造，這有利于大幅度降低氧化鎵的生產(chǎn)成本。氧化鎵目前有三種形態(tài)，分別是β、ε、α。其中β-氧化鎵具備良好的熱穩(wěn)定性，因此可以使用大量的商業(yè)技術(shù)來(lái)制造，包括用于制造硅片的提拉法。也可以使用“邊緣定義、薄膜饋電晶體生長(zhǎng)”技術(shù)來(lái)生產(chǎn)β-氧化鎵晶圓。甚至可以使用可高度擴(kuò)展的垂直坩堝下降技術(shù)生長(zhǎng)晶體。
氧化鎵后面這兩個(gè)特性很重要，這讓它可借用各種各樣的既有商業(yè)光刻和加工技術(shù)。這兩點(diǎn)，其它半導(dǎo)體做不到，包括氮化鎵。除碳化硅（SiC）以外，其他所有新興寬帶隙半導(dǎo)體必須生長(zhǎng)在另一種材料盤中，比如氮化鎵通常依靠復(fù)雜的工藝在硅、碳化硅、藍(lán)寶石基底上生長(zhǎng)，由于基底的晶體結(jié)構(gòu)明顯不同于氮化鎵的晶體結(jié)構(gòu)，這種差異會(huì)造成基底和氮化鎵之間的“晶格失配”，從而產(chǎn)生大量缺陷。這樣芯片的良率下降，而且生產(chǎn)成本也大幅上升。
據(jù)報(bào)道，近日，中國(guó)電科46所氧化鎵團(tuán)隊(duì)聚焦多晶面、大尺寸、高摻雜、低缺陷等方向，生產(chǎn)出世界最大6英寸的氧化鎵單晶體。這具有里程碑意義。因此在氧化鎵良好性能的基礎(chǔ)上，通過(guò)摻雜等工藝，并利用硅晶生成、光刻等現(xiàn)有工藝，讓氧化鎵不止在射頻、大功率開關(guān)管上有作為的可能。
以上優(yōu)點(diǎn)墊成了氧化鎵是現(xiàn)有半導(dǎo)體材料中最強(qiáng)的。但是氧化鎵而有一個(gè)其它所有半導(dǎo)體材料沒有的特性，它可以用于量子力學(xué)，其原因就是氧化鎵是一種透明導(dǎo)電氧化物。這意味著氧化鎵在用于量子計(jì)算機(jī)、量子通訊、量子雷達(dá)方面比其它半導(dǎo)體材料更具優(yōu)勢(shì)。就此一點(diǎn)，也是最強(qiáng)半導(dǎo)體。當(dāng)然，這是在新的半導(dǎo)體材料未出現(xiàn)之前。
與第三代半導(dǎo)體襯底環(huán)節(jié)的對(duì)比
從上表可以看出：
1、 晶片尺寸
三種材料目前的尺寸基本相當(dāng)，即單片襯底的芯片產(chǎn)出相差不大（GaO器件做成垂直器件相對(duì)會(huì)更小，此處差異忽略不計(jì)）。SiC已有8寸單晶襯底、GaN（自支撐）目前有4寸量產(chǎn)產(chǎn)品，6寸樣品剛進(jìn)入市場(chǎng)，未量產(chǎn)暫時(shí)未考慮。
2、設(shè)備投入：（晶體生長(zhǎng)爐+坩堝+晶體加工設(shè)備）
GaO設(shè)備投入每條產(chǎn)線投入約350萬(wàn)，SiC設(shè)備投入每條產(chǎn)線550萬(wàn)，GaN設(shè)備投入每條產(chǎn)線800萬(wàn)。
3、生產(chǎn)效率
GaO每月可產(chǎn)出8爐，年產(chǎn)80爐，可產(chǎn)800片，邊角料短期內(nèi)還可切成10mm * 10mm的小片銷售給科研單位研究用，每爐100片，年產(chǎn)8000片小片。SiC每月可產(chǎn)4爐，年產(chǎn)40爐，可產(chǎn)400片，不能按小片銷售，且良率按30%算約為120片。GaN自支撐襯底產(chǎn)量更小。
外延及芯片加工階段的對(duì)比
從表上可以看出：
SiC、GaN的外延生長(zhǎng)設(shè)備成本就明顯要高出GaO材料數(shù)倍，且因?yàn)橥庋訒r(shí)間較短，升溫、降溫的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際外延生長(zhǎng)時(shí)間，所以幾種材料外延的速度差異并不明顯，而且由于各家技術(shù)有差異，用途不同的外延也有些許差別，此處不做更深入的比較。目前各種材料的外延技術(shù)較為成熟，可以滿足市場(chǎng)的需求。
芯片加工階段，由于GaO、SiC可以使用垂直結(jié)構(gòu)，所以同等規(guī)格下，芯片面積較小，為便于比較，暫時(shí)忽略這種優(yōu)勢(shì)，三種材料在功率芯片加工過(guò)程的成本差異不大。
綜上可以看出，GaO器件最終成本低于SiC、GaN，且性能更好，具有獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
成本對(duì)比
根據(jù)Joule雜志2019年美國(guó)NREL（Strategic Energy Analysis Center at National Renewable Energy Laboratory國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室-戰(zhàn)略能源分析中心）發(fā)表的文章《How Much Will Gallium Oxide Power Electronics Cost?》中展示的襯底成本模型和技術(shù)改進(jìn)效果預(yù)測(cè)，單片GaO的晶圓成本可由當(dāng)前的283美金下降到195美金，大大低于SiC 成本（916美金）。
由于成本構(gòu)成中超過(guò)60%是銥坩堝帶來(lái)，若能找到優(yōu)化坩堝損耗甚至替代銥坩堝的方法，將可以進(jìn)一步大幅度降低GaO成本。
熱導(dǎo)率和遷移率問(wèn)題
GaO的低熱導(dǎo)率、低遷移率問(wèn)題可作為未來(lái)數(shù)年業(yè)界進(jìn)行科研的主攻方向，突破這些問(wèn)題將能夠大幅度提高人們對(duì)GaO的應(yīng)用預(yù)期，推動(dòng)GaO的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度，但其實(shí)這些參數(shù)并不會(huì)實(shí)際上影響當(dāng)前GaO導(dǎo)入實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。
熱導(dǎo)率
半導(dǎo)體功率器件應(yīng)用中所涉及到的熱問(wèn)題，要細(xì)分為三部分來(lái)分析：產(chǎn)熱，耐熱，散熱。
1、 產(chǎn)熱
功率器件主要有驅(qū)動(dòng)損耗、開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗三個(gè)部分帶來(lái)?yè)p耗，損耗越低，效率就越高，而決定這幾種損耗的關(guān)鍵指標(biāo)就分別是Qg、Coss和Ron，所以降低損耗的關(guān)鍵是降低這幾個(gè)指標(biāo)。
Ron，即On-resistance導(dǎo)通電阻，主要是與材料的特性決定。業(yè)界看好。Ga2O3、SiC、GaN在功率領(lǐng)域的應(yīng)用前景，也因?yàn)檫@幾種材料的Ron極低，可以大幅度降低導(dǎo)通損耗。SiC的導(dǎo)通電阻是Si產(chǎn)品的1/6，而GaO的導(dǎo)通電阻是SiC的1/6，在導(dǎo)通損耗方面具有很大優(yōu)勢(shì)。對(duì)于功率器件來(lái)說(shuō)，Ron是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，導(dǎo)通電阻越低，其損耗越小，產(chǎn)生的熱量越少，從而有效控制溫升。
2、 耐熱
材料耐高溫的特性進(jìn)一步使得低熱導(dǎo)率在應(yīng)用中不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響。
3、 散熱
既然材料產(chǎn)熱少，又耐熱，那么對(duì)散熱的要求就會(huì)降低，如果在封裝環(huán)節(jié)也充分考慮到Die的散熱，就可以進(jìn)一步降低材料低熱導(dǎo)率帶來(lái)的影響。
遷移率
作為晶體管性能指標(biāo)的溝道遷移率，需要達(dá)到實(shí)用化標(biāo)準(zhǔn)（200 cm2/V·s）才具有應(yīng)用價(jià)值。半導(dǎo)體器件的遷移率簡(jiǎn)單分析，主要包含了體遷移率和溝道遷移率兩個(gè)方面。其中體遷移率主要跟材料本身特性相關(guān)，溝道遷移率與器件結(jié)構(gòu)相關(guān)。如果在射頻方面應(yīng)用，對(duì)遷移率要求很高，在這一點(diǎn)上，GaO的性能目前確實(shí)是不如GaN有優(yōu)勢(shì)的，GaN在射頻方面的應(yīng)用還會(huì)持續(xù)擴(kuò)張。
預(yù)計(jì)GaO的市場(chǎng)機(jī)會(huì)將會(huì)率先出現(xiàn)在市場(chǎng)門檻較低、成本敏感的消費(fèi)電子、家電以及能發(fā)揮材料高可靠、高性能的工業(yè)電源等領(lǐng)域，并將在2025年至2030年開始全面滲透車載和電氣設(shè)備領(lǐng)域。
