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摘要：在如今的脱碳时代，功率半导体能够为提高能源效率以及节约能源做出贡献。由田村制作所和AGC等出资成立的初创企业Novel Crystal Technology宣布，开发出可实用于功率半导体的新型氧化镓材料。

关键字：功率半导体、氧化镓、晶圆材料、高性能半导体、脱碳

脱碳时代愈发重要的功率半导体

世界各地的所有电气设备中都安装有功率半导体，包括家电、智能手机、汽车以及工业机器等，用于控制电压和电流。在脱碳时代，功率半导体的重要性愈发凸显。

功率半导体的最重要的指标是能量效率。其原因在于，在进行电压和电流转换的功率半导体内部会不可避免地产生半导体引起的能量损耗（电力损耗）。该能量损耗越小，电气设备的耗电量就越少，即能量效率越高。

目前主流的硅基功率半导体，由于小型化和晶圆直径的增大，性能已接近极限，需要寻求新的突破。

最近，日本连续宣布在功率半导体方面取得的突破，在材料方面开发出氧化镓、氮化镓、以及下一代绝缘栅双极晶体管（IGBT）。

本文将介绍使用最受关注的氧化镓的功率半导体。

初创企业Novel Crystal Technology的挑战

本次，由田村制作所和AGC等出资成立的初创企业Novel Crystal Technology发现了利用氧化镓材料的功率半导体。

由田村制作所、日本信息通信研究机构（NICT）、以及东京农工大学为核心成员组成的研究小组主导氧化镓的研发，其研究成果由Novel Crystal Technology付诸实践。

下面将介绍基本半导体的制作工艺。

半导体中，通过蚀刻等方法将电路写在从晶锭中切割出来的晶圆上。也就是说，电路写入晶圆的紧密程度（加工难易度），以及晶圆本身的电气特性将在很大程度上影响半导体的性能。

当前主流的晶圆材料是硅。本次发表的以氧化镓为晶圆材料的半导体具有优于硅的良好特性，例如易于加工、导电性优异等。

但面临的问题是氧化镓晶圆的尺寸。Novel Crystal Technology在2019年成功开发出直径为2英寸（50.8mm）的高品质氧化镓外延晶圆片¹^）（以下“外延片”）。然而，利用2英寸晶圆的设备的制造成本过高，也没有量产线，因而此前氧化镓晶圆的用途仅限于研究开发。虽然是一种理想材料，但很难实际用于产品。

但是，Novel Crystal Technology在6月16日的发表中表示已经解决了该问题。

Novel Crystal Technology应用此前积累的用于提高2英寸外延片品质的技术，开发出一种100mm外延成膜装置。由此，可以制造并销售直径为100mm的高品质氧化镓外延片。

客户企业拥有利用100mm晶圆的现有设备。也就是说，客户无需投资新的设备，即可在量产线上生产氧化镓功率半导体。

安装肖特基二极管（SBD）后的100mm氧化镓外延片的外观照片

氧化镓的优良特性

本次由Novel Crystal Technology开发的氧化镓材料，严格来说是β型氧化镓（β-Ga₂O₃）。

如上所述，硅基材料已经到达了性能提升的极限。作为下一代宽带隙半导体，目前全球均在开发使用碳化硅（SiC）的半导体和使用氮化镓的半导体。

但是，与SiC和氮化镓相比，β型氧化镓的性能更加优异。

对于半导体来说，导通电阻（二极管导通后两端电压与导通电流之比）和耐压这两个特性非常重要，下图展示了这两个特性的理论极限。

导通电阻与耐压的关系

越靠近右下方，越有可能实现兼具高节能性能（低损耗）和高耐压性能的“高性能半导体”。

作为下一代材料的碳化硅和氮化镓的性能优于硅的原因在于其带隙能量²^）比硅大（带隙能量越大，电阻值就越高）。

特别是在功率半导体中，理想状态是开关接通时的电阻为零，断开时的电阻很大。

硅、碳化硅、氮化镓以及β型氧化镓的理论值如下图所示。

硅、碳化硅、氮化镓、β型氧化镓的导通电阻与耐压关系的比较

在下一代材料中，β型氧化镓的导电特性非常优异，功率半导体内部的能量损耗非常低。

从理论值来看，氧化镓的能量损耗是硅的1/3000，碳化硅的1/6分，氮化镓的1/3分，作为功率半导体时的能量损耗是硅的1/1000。

高性价比的原因

在制作半导体的工序中，制作晶锭时需要获得块状单晶，也就是单晶的结块。

制作方法因材料而异，碳化硅和氮化镓大多采用气相法。但是，在气相法中，晶体的生长速度为每小时数百微米，十分缓慢。另外，还存在难以获得高品质晶体的问题。

与此相对，本次氧化镓的块状单晶采用熔液法。这种方法下的晶体生长速度为每小时几十毫米，是气相法的约100倍，而且获得的块状单晶的品质高。

晶体生长速度不同将导致成本大不相同。这也是与其他下一代半导体材料相比，氧化镓占优势的另一个理由。

块状单晶的生长速度比较：左边是熔液法，右边是气相法

加工的难易程度与硅相当，可利用现有设备进行加工

氧化镓还具有易于加工的优点。

实际上，碳化硅和氮化镓的材料本身比较坚硬，从块状单晶中取得衬底时，研磨加工耗时耗力，而氧化镓的硬度和硅相当。

也就是说，用现在主流的用于加工硅材料的设备即可容易地加工氧化镓。

使用氧化镓的功率半导体特性包括“超高性能”、“成本低”、“易加工”。此外，可以利用现有设备立即进行批量生产。

氧化镓功率半导体将带来哪些改变？

如上所述，使用本次新开发的氧化镓的功率半导体内部的能量损耗将降低至硅的1/1000。

这的确是个史无前例的突破。

Novel Crystal Technology表示，目前正在推进进一步的大直径化。也就是说，今后氧化镓半导体的成本有望降至与硅相同水平。

当氧化镓功率半导体的普及规模达到与现在的硅半导体等同时会发生什么？

首先，当应用于电动汽车时，能量损耗将变得非常小，这将大大提高续航距离。因使用氮化镓进行LED开发而荣获诺贝尔奖的日本名古屋大学天野浩教授曾在报告中表示，在进行使用氮化镓半导体的EV行驶实验时发现，电动装置的能量损耗大幅减少，耗电量减少了约20%。

本次开发的氧化镓性能更优于氮化镓。

虽然目前还没有制造出能够在EV行驶实验中使用的大容量晶体管，但人们认为其搭载在EV上时有望达到超过氮化镓的节能效率。

如果EV整体能实现30%的节能水平，则EV的续航距离将达到现在的约1.5倍，即EPA 300公里的车将能行驶400公里以上。这将是巨大的进步。

蓄电池的容量之战可能会就此结束。同时，其他性能就显得格外重要，也将可能影响到东芝的SCiB电池（东芝的二次电池SCiB具有超长寿命，快速充电6分钟左右，着火风险也极低，低温性能良好）。

日本的技术组合将开启脱碳的未来。此次开发的氧化镓晶圆不仅质量好，而且成本低，这是其最吸引人的地方。

未来，氧化镓有望席卷时代。

术语说明：

（１）外延晶圆片：外延（Epitaxy），指在衬底晶片上，对齐地排列生长新结晶。

（２）带隙能量：固体内电子的导带的最低能量水平与价带的最高能量水平之间不能存在电子的能量状态。金属中带隙为零，绝缘体中带隙很大。半导体则处于中间值，其导电特性根据带隙的大小而大不相同。

具有超强性能的功率半导体材料——氧化镓掀起的脱碳革命