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功耗更小、成本更低,第四代半导体上线


编辑:2022-06-14 15:21:36

随着2018年特斯拉采用碳化硅(SiC)、2020年小米在快充上使用氮化镓开始,第三代半导体经过三四十年的发展终于获得市场认可迎来发展机遇。此后,第三代半导体在新能源车、消费电子等领域快速发展开来,并逐渐从热门场景向更多拓展场景探索。

在第三代半导体发展得如火如荼之际,氧化镓、氮化铝、金刚石等第四代半导体材料也开始受到关注。其中,氧化镓( Ga2O3 )是被国际普遍关注并认可已开启产业化的第四代半导体材料。

氧化镓( Ga2O3 ) 在耐压、电流、功率、损耗等维度都有其优势,此前被用于光电领域的应用,直到2012年开始,业内对它更大的期待是用于功率器件,全球80%的研究单位都在朝着该方向发展。

日本在氧化镓研究上是最前沿的。2012年日本报道了第一颗氧化镓功率器件,2015年推出了高质量氧化镓单晶衬底、2016年推出了同质外延片,此后,基于氧化镓材料的器件研究成果开始爆发式出现。

我国氧化镓的研究则更集中于科研领域,产业化进程刚刚起步,但是进展飞速,今年我国科技部将氧化镓列入十四五重点研发计划,让第四代半导体获得更广泛关注。

一个材料产业的发展,需要材料、器件、模组、应用等多个环节形成完整循环。目前,第三代半导体材料已发展出完整的产业链,且向着成本不断降低的方向发展;而氧化镓则仍处于一个研究继续深入,产业化初步开始的阶段。

氧化镓想要获得产业发展,需要具备至少3个要素:一是材料成本降低,足以用于产业;二是衬底、外延、器件产业链发展完善;三是,出现示范性应用。

此前,氧化镓衬底主要采用导模法(EFG法)进行生产,由于EFG法需要在1800℃左右的高温、含氧环境下进行晶体生长,对生长环境要求很高,需要耐高温、耐氧,还不能污染晶体等特性的材料做坩埚,综合考虑性能和成本只有贵金属铱适合盛装氧化镓熔体。但一方面铱价格昂贵,价格是黄金的三倍,6英寸设备需要几公斤的铱,相当于一大块黄金,仅坩埚造价就超过600万,从大规模生产角度很难扩展设备数量,另一方面,铱只能依赖进口,给供应链带来很大风险。

值得关注的是,我国的深圳进化半导体,日本东北大学联合C&A公司都报道了无铱工艺,从关键材料端角度让低成本氧化镓成为可能,也推动整个产业链的发展进程。


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