三、氧化鎵的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀
 

因為擁有如此多的優(yōu)勢，氧化鎵被看作一個比氮化鎵擁有更廣闊前景的技術(shù)。
 

據(jù)市場調(diào)查公司--富士經(jīng)濟(jì)于2019年6月5日公布的Wide Gap 功率半導(dǎo)體元件的全球市場預(yù)測來看，2030年氧化鎵功率元件的市場規(guī)模將會達(dá)到1,542億日元（約人民幣92.76億元），這個市場規(guī)模要比氮化鎵功率元件的規(guī)模（1,085億日元，約人民幣65.1億元）還要大！
 

在SiC或GaN方面，從產(chǎn)業(yè)鏈分工的角度來看，目前Cree、Rohm、ST都已形成了SiC襯底→外延→器件→模塊垂直供應(yīng)的體系。而Infineon、Bosch、OnSemi等廠商則購買襯底，隨后自行進(jìn)行外延生長并制作器件及模塊。
 

在氧化鎵方面，日本在襯底-外延-器件等方面的研發(fā)全球領(lǐng)先。不過研究氧化鎵功率元件并進(jìn)行開發(fā)的并不是上述范疇的大中型功率半導(dǎo)體企業(yè)，而是初創(chuàng)企業(yè)。
 

1、日本
 

據(jù)日本媒體2020年9月報道，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）正準(zhǔn)備為致力于開發(fā)新一代低能耗半導(dǎo)體材料“氧化鎵”的私營企業(yè)和大學(xué)提供財政支持。METI將為2021年留出大約2030萬美元的資金，預(yù)計未來5年的投資額將超過8560萬美元。METI認(rèn)為，日本公司將能夠在本世紀(jì)20年代末開始為數(shù)據(jù)中心、家用電器和汽車供應(yīng)基于氧化鎵的半導(dǎo)體。一旦氧化鎵取代目前廣泛使用的硅材料，每年將減少1440萬噸二氧化碳的排放。
 

資料顯示， 日本功率元件方向的氧化鎵研發(fā)始于以下三位：日本國立信息通信技術(shù)研究所（NICT：National Institute of Information and Communications Technology）的東脅正高先生、京都大學(xué)的藤田靜雄教授、田村（Tamura）制作所的倉又朗人先生。
 

NICT的東脅先生于2010年3月結(jié)束在美國大學(xué)的赴任并返回日本，以氧化鎵功率元件作為新的研發(fā)主題并進(jìn)行構(gòu)想。

京都大學(xué)的藤田教授于2008年發(fā)布了氧化鎵深紫外線檢測和Schottky Barrier Junction、藍(lán)寶石（Sapphire）晶圓上的外延生長（Epitaxial Growth）等研發(fā)成果后，又通過利用獨自研發(fā)的“霧化法”薄膜生產(chǎn)技術(shù)（Mist CVD法）致力于研發(fā)功率元件。
 

倉又先生在田村（Tamura）制作所負(fù)責(zé)研發(fā)LED方向的氧化鎵單晶晶圓，并將應(yīng)用在功率半導(dǎo)體方向。
 

三人的接觸與新能源·產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）于2011年度提出的“節(jié)能革新技術(shù)開發(fā)事業(yè)—挑戰(zhàn)研發(fā)（事前研發(fā)一體型）、超耐高壓氧化鎵功率元件的研發(fā)”這一委托研發(fā)事業(yè)有一定關(guān)聯(lián)，接受委托的是NICT、京都大學(xué)、田村制作所等。可以說，由這一委托開啟了GaO功率元件的正式研發(fā)。
 

2011年，京都大學(xué)投資成立了公司“FLOSFIA”。在2015年，NICT和田村制作所合作投資成立了氧化鎵產(chǎn)業(yè)化企業(yè)“Novel Crystal Technology”，簡稱“NCT”?，F(xiàn)在，兩家公司都是日本氧化鎵研發(fā)的中堅企業(yè)，必須強(qiáng)調(diào)的是，這也是世界上僅有的兩家能夠量產(chǎn)GaO材料及器件的企業(yè)，整個業(yè)界已經(jīng)呈現(xiàn)出“All Japan”的景象。
 

（1）Flosfia
 

2011年由京都大學(xué)投資成立，在2017年獲得B輪融資750萬歐元（500萬英鎊），2018年三菱重工和電裝等大企業(yè)已經(jīng)聯(lián)名參與了其C輪融資，累計融資接近5億人民幣。

在對成本要求嚴(yán)格的電動汽車、“廉價化”的家電等數(shù)碼機(jī)器方面，碳化硅和氮化鎵即使性能卓越，制造商也難以接受其價格，成本問題阻礙著產(chǎn)業(yè)界對新半導(dǎo)體的材料的導(dǎo)入。 FLOSFIA公司的“噴霧干燥法”（MistDry）先將氧化鎵溶解于某種幾十種配方混合而成的溶液里，然后將溶液以霧狀噴在藍(lán)寶石襯底上，在藍(lán)寶石基板上的溶液干燥之前，就形成了氧化鎵結(jié)晶。這樣通過從液態(tài)直接獲得GaO襯底，不需要高溫、超潔凈的環(huán)境，實現(xiàn)了超低成本制造GaO。

圖：MistCVD原理圖（ Electronics Weekly）

這種溶液常溫下是液體，蒸發(fā)溫度不需要達(dá)到1,500度，幾百度就足夠，而且制作結(jié)晶的環(huán)境是在常溫空氣中，沒有任何高成本的環(huán)節(jié)。如果考慮做小尺寸，有望可以制造出和硅同樣價格、比硅性能更好的半導(dǎo)體。

圖：直徑為4英寸的藍(lán)寶石襯底上形成的Ga 2 O 3薄膜(FLosfia官網(wǎng))

從官網(wǎng)可以看到，公司在2015年所首發(fā)的肖特基勢壘二極管（SBD）已經(jīng)送樣，而其521V耐壓器件的導(dǎo)通電阻僅為0.1mΩ/cm²，855V耐壓的SBD導(dǎo)通電阻僅為0.4mΩ/cm²，損耗僅為SiC的1/7，由此足以見證新材料器件的優(yōu)勢。
 

圖：Flosfia制作的超低導(dǎo)通電阻SBD(FLosfia官網(wǎng))

因為材料屬性的原因，有專家認(rèn)為用氧化鎵無法制造P型半導(dǎo)體。但京都大學(xué)的Shizuo Fujita與Flosfia合作在2016年成功開發(fā)出了具有藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)的GaO常關(guān)型晶體管（MOSFET）。

圖：常關(guān)GaO MOSFET的IV曲線(FLosfia官網(wǎng))

常關(guān)型MOSFET 的第一個α相GaO由N +源/漏極層、p型阱層、柵極絕緣體和電極組成。從IV曲線外推的柵極閾值電壓為7.9V。該器件由新型p型剛玉半導(dǎo)體制成，其起到反型層的作用。團(tuán)隊在2016年發(fā)現(xiàn)p型氧化銥Ir 2 O3，終于制作出了常關(guān)GaO MOS。

圖：常關(guān)型GaO MOSFET器件橫截面示意圖(FLosfia官網(wǎng))

圖：常關(guān)型GaO MOSFET的光學(xué)顯微照片(FLosfia官網(wǎng))

FLOSFIA總部位于日本京都，專門從事霧化學(xué)氣相沉積（CVD）成膜。利用氧化鎵的物理特性，F(xiàn)LOSFIA致力于開發(fā)低損耗功率器件。該公司成功開發(fā)了一種SBD，其具有目前可用的任何類型的最低特定導(dǎo)通電阻，實現(xiàn)與降低功率相關(guān)的技術(shù)，比以前減少了90％。
 

2018年，電裝與FLOSFIA宣布合作研發(fā)新一代功率半導(dǎo)體設(shè)備,旨在降低電動車用逆變器的能耗、成本、尺寸及重量。
 

同樣也是在2018年，電裝與Flosfia決定共同開發(fā)面向車載應(yīng)用的下一代Power半導(dǎo)體材料氧化鎵（α相GaO）。據(jù)電裝表示，通過這兩家公司對面向車載的氧化鎵（α相GaO）的聯(lián)合開發(fā)，電動汽車的主要單元PCU的技術(shù)革新指日可待。此技術(shù)將對電動汽車的更輕量化發(fā)展及節(jié)約能源降低耗電起到積極作用，從而實現(xiàn)人、車、環(huán)境和諧共存。

圖：Flosfia GaO評估板（集微網(wǎng)）

據(jù)EE Times Japan報道，F(xiàn)LOSFIA在2019年12月11日-13日召開的“SEMICON Japan 2019”上展示了GaO功率器件和評估板，并計劃于2020年進(jìn)行全球范圍內(nèi)首次GaO肖特基勢壘二極管的量產(chǎn)。FLOSFIA方面稱目前常關(guān)型GaO MOSFET的溝道遷移率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了商用SiC，讓這項技術(shù)和產(chǎn)品有望應(yīng)用于需要安全性的各種電源中，并有望應(yīng)用在電動汽車和消費級快充中，和SiC擁有同等水平或以上性能的GaO MOSFET價格也會更便宜。Flosfia計劃2021年實現(xiàn)GaO器件量產(chǎn)，業(yè)界正拭目以待。