作為日本NEDO“戰略節能技術創新計劃”中的重要成員，Novel Crystal Technology公司致力於氧化鎵（β-Ga2O3）功率器件商業化開發，該公司近日宣佈已成功開發出溝槽型安培級1200 V耐壓“氧化鎵肖特基勢壘二極體 (SBD)”。
這極大推動高耐壓氧化鎵SBD的商業化程序，從而進一步有效提高了超寬禁帶電力電子器件的價效比，具有跨時代的意義。
該器件可廣泛應用於光伏儲能、工業和電源等電力電子場景，促進系統高效化和小型化，從而為汽車以及空中飛行器的電氣化推進做出貢獻。
圖1：在2英寸晶圓上製造的安培級1200 V氧化鎵SBD外觀照片
Novel本次研究成果
對於大電流氧化鎵SBD的研究，平面型結構因其較易開發而被廣泛採用，但由於漏電流大等原因，此結構很難製造出耐壓1200 V以上的氧化鎵SBD。Novel公司於2017年成功開發並展示了將反向漏電流降低到1/1000的溝槽型氧化鎵SBD的技術及原型（圖2）。
圖2：溝槽型氧化鎵SBD的橫截面結構，光學顯微照片
目前，Novel已實現2英寸氧化鎵SBD的批次生產，本次其基於2英寸工藝首次展示的溝槽型氧化鎵SBD，正向電流IF = 2 A（VF = 2 V）（圖3a），耐壓1200 V時漏電流<10 -9 A（圖3b）。該工作使得目前基於Novel的4英寸工藝線系列產品開發、大規模生產以及1200 V氧化鎵SBD產品級的電器效能和可靠性評估成為可能，從而加快推動高壓大電流低損耗的氧化鎵功率器件商業化程序。
(a) Forward I-V characteristic
(b)Reverse I-V characteristic
圖3：溝槽型氧化鎵SBD的電流-電壓特性
透過NEDO的專案，Novel將加快推動此次試製成功的安培級1200 V氧化鎵SBD器件的製造工藝和可靠性評估的建立，力爭於2023年實現相關產品商業化。與此同時，其也將基於2021年6月推出的高品質4英寸氧化鎵外延片技術，建設相應量產線。
得益於該技術的突破，中高壓高速二極體的市場規模，預計將從2022年的1200億日元擴大至2030年的1500億日元（富士經濟《2021下一代功率器件和電力電子相關裝置市場的現狀和未來展望》)。Novel將攜氧化鎵SBD相關技術進入這一主要市場，為節能社會貢獻力量。
氧化鎵——極具潛力的下一代新材料
氧化鎵（β-Ga2O3）作為繼GaN和SiC之後的下一代超寬禁帶（UWBG）半導體材料，也被稱為第四代半導體。其可以使用傳統單晶成長方式（與藍寶石相似），獲得低缺陷密度的大尺寸氧化鎵襯底，這是在第三代半導體中所無法實現的，因此對於未來不論就成本以及元件特性，均大有裨益。
隨著電動車、軌道交通以及高壓電網輸電系統的快速發展，全世界迫切需要更高轉換效率的高壓大功率電子電力器件。氧化鎵功率器件在與GaN/SiC材料相同耐壓情況下，導通電阻更低、功耗更小、更耐高溫，能夠極大地節約上述高壓器件工作時的電能損失，因此其被視為一種更高效更節能的選擇。
Source：Flosfia
目前市面上有兩家公司能提供4英寸氧化鎵的晶圓，分別是FLOSFIA以及Novel Crystal，均是日本新創公司，技術來源來自於京都大學以及東京農工大學。
FLOSFIA成立於2011年，主要投資者包括了DENSO、三菱重工以及安川電機；Novel Crystal創立於2015年，主要投資者是田村製作所(Tamura)。
另外，此兩家公司也同時具備HVPE外延生長技術，利用氯化氫(HCl)氣體與加熱成液態的鎵金屬，反應形成的氯化鎵氣體，之後再與氧氣反應形成氧化鎵沉積在襯底上。
中國開展氧化鎵研究十餘年，從事相關材料和器件研究的單位和企業主要是中電科46所、西安電子科技大學、上海光機所、上海微系統所、復旦大學、南京大學等高校及科研院所，科技成果轉化的公司有北京鎵族科技、杭州富加鎵業。
越寬禁帶的半導體能夠提供越高的操作電壓，但也會衍生出不少在器件製作上的挑戰，尤其在導通電阻及可靠性的問題上，因此距離氧化鎵商業化應用還有很長的一段路要走。（文：化合物半導體市場 Matt）
