等这届高考生毕业,氧化镓能改变世界吗?( 二 )


虽然这两个缺陷可以避免 , 但实际应用中仍需进一步探讨 。
使用氧化镓制作的半导体器件可以实现更耐高压、更小体积、更低损耗 , 因此它在光电探测、功率器件、射频器件、气敏传感、光催化、信息存储和太阳能利用等都有潜在应用价值 。 目前为止 , 日盲紫外光电探测器件和功率器件(SBD、MOSFET)是氧化镓商业化趋势明朗的两个领域 。
二、制备是问题
既然优势多多 , 那为什么这一赛道还没爆发?这是因为氧化镓的路一直卡在大规模制备这一步 , 随着研究深入和器件应用明朗 , 产业化的路逐渐铺平 。
氧化镓的研究主要以应用为导向发展 , 而从氧化镓材料转换为芯片 , 与碳化硅的“衬底→外延→器件”的产业体系类似 。
等这届高考生毕业,氧化镓能改变世界吗?
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氧化镓材料研究历史 , 制表丨果壳硬科技
衬底指的是由半导体单晶材料制造而成的晶圆 , 在经过切、磨、抛等仔细加工后便是芯片制造的基础材料抛光片;外延指的是在抛光后的单晶衬底上生长一层新单晶薄膜的过程 , 外延片相当于是半导体器件的功能性部分;器件就是能实现具体功能的某种芯片 , 晶圆先会经历光刻、刻蚀、离子注入、CMP、金属化、测试等工艺 , 再经历切割、封装等复杂工艺 。
氧化镓在这一过程中 , 既可以充当衬底材料 , 也可以充当外延材料 。
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不同种类晶圆优势和应用 , 制表丨果壳硬科技
资料来源丨公开资料
晶圆按直径分为4英寸、6英寸、8英寸、12英寸等规格 , 芯片是从加工后的晶圆上切割下来的 , 但晶圆与芯片却是一圆一方 , 因此只有晶圆越大才能切出更多完整的芯片 。 晶圆尺寸与制程也息息相关 , 目前14nm或更先进制程的芯片基本都采用12英寸晶圆制造 , 因为晶圆越大 , 衬底成本就越低 。 [8]
因此只有当氧化镓被制成一定尺寸的晶圆 , 才能真正投入产业化 , 并且晶圆尺寸还要越做越大 。
单晶生长
大尺寸高质量的β相氧化镓晶圆生产非常困难 , 这是因为其单晶熔点达1820℃ , 高温生长过程中极易分解挥发 , 容易产生大量的氧空位 , 进而造成孪晶、镶嵌结构、螺旋位错等缺陷 , 此外高温下分解生成的GaO、Ga2O和Ga等气体会严重腐蚀铱金坩埚 。 [9]
氧化镓单晶生长研究最早可以追溯到20世纪60年代 , 制备方法主要包括焰熔法、提拉法、导模法、光浮区法、布里奇曼法 。
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氧化镓单晶生长技术情况 , 制表丨果壳硬科技
目前国际上走得最远的是日本NCT公司 , 是全球氧化镓衬底的供应主力 , 该公司采用导模法成功生长最大6英寸氧化镓单晶 , 而其它方法仍然无法制造产业所需的大尺寸衬底 。
但导模法制造的氧化镓患有严重的“贵金属依赖症” , 在制造过程中需要使用基于贵金属铱(Ir)的坩埚 。 铱元素全球储量稀少 , 每克铱的价格高达上千元 , 约是黄金价格的3倍 , 长晶设备中仅一个坩埚价格就超500万元 。
成本对国外产业来说已是核心问题 , 普遍会采取增大铸锭尺寸、提高加工率、延长坩埚寿命来降低铱坩埚成本 , 更彻底的解决方案就是研究其他转换路线 。
这对国内产业来说更是棘手问题 。 虽然中国镓元素储量全球第三位 , 高纯度氧化镓原料储备丰富 , 生长晶体能耗降低80% , 成品率可达50%及以上[10] , 但我国铱矿藏并不丰富 , 依赖进口 , 有断供风险 。 更为雪上加霜的是 , 坩埚易损坏且有使用次数限制 。 贵就造不起 , 高价造出来又坏不起 , 成了死循环 。 [11]