氧化鎵作為極具潛力的第四代半導(dǎo)體材料，能承受超高電壓、成本低，在電動(dòng)汽車、軌道交通、5G/6G基站、智能電網(wǎng)、航空航天等系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，被譽(yù)為下一代高功率電子器件的“明星材料”。不過，作為新興材料，氧化鎵應(yīng)用仍有諸多技術(shù)瓶頸待克服。
近期，國內(nèi)氧化鎵領(lǐng)域頻頻傳出重大進(jìn)展。
富加鎵業(yè)突破6英寸VB法氧化鎵單晶制備技術(shù)
9月15日，杭州富加鎵業(yè)科技有限公司（以下簡稱富加鎵業(yè)）宣布在氧化鎵晶體生長領(lǐng)域取得重大突破——利用垂直布里奇曼法（VB法）在國內(nèi)首次成功制備出6英寸氧化鎵單晶晶錠，晶體等徑高度達(dá)30mm，為功率器件所需導(dǎo)電性材料，可滿足完整6英寸氧化鎵導(dǎo)電型襯底的加工需求。
圖片來源：杭州富加鎵業(yè)科技有限公司
圖為6英寸VB法氧化鎵單晶錠
此前2024年12月，富加鎵業(yè)率先在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)4英寸VB法氧化鎵晶體制備，此次6英寸單晶的突破，實(shí)現(xiàn)晶體尺寸上的跨越式升級(jí)。
迄今為止，富加鎵業(yè)進(jìn)行了多輪次2-6英寸VB法氧化鎵晶體生長，不斷升級(jí)裝備性能，驗(yàn)證生長裝備穩(wěn)定性。該公司已推出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的VB法氧化鎵晶體生長設(shè)備及配套生長工藝包，加速氧化鎵領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)建，推動(dòng)氧化鎵半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。
未來，富加鎵業(yè)將繼續(xù)秉持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展和繁榮氧化鎵行業(yè)的理念，積極聯(lián)合高校、科研院所及產(chǎn)業(yè)鏈上下游單位，不斷提升裝備與工藝技術(shù)水平，共同推進(jìn)氧化鎵材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
蘇州納米所納米加工平臺(tái)在β-Ga?O? 垂直功率器件方面取得進(jìn)展
近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所納米加工平臺(tái)在氧化鎵（β-Ga?O?）功率器件領(lǐng)域取得兩項(xiàng)重要突破：首次基于納米加工平臺(tái)開發(fā)工藝制備了多鰭通道歐姆接觸陽極β-Ga?O?二極管（MFCD），實(shí)現(xiàn)超低漏電的千伏級(jí)擊穿電壓；同時(shí)研制出高性能增強(qiáng)型垂直β-Ga?O?多鰭晶體管，創(chuàng)下4.3mΩ·cm2最低比導(dǎo)通電阻紀(jì)錄。兩項(xiàng)成果可為高溫高壓應(yīng)用場景提供全新的解決方案。
1、多鰭通道二極管——打破傳統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)限制
圖片來源：中國科學(xué)院蘇州納米所? 圖(a) 多鰭通道β-Ga?O?二極管的示意圖，(b) 器件的關(guān)鍵工藝步驟，(c)鰭干法蝕刻后的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像， (d) 鰭寬400 nm二極管 SEM橫截面圖像
該器件通過獨(dú)創(chuàng)的歐姆接觸陽極設(shè)計(jì)替代傳統(tǒng)肖特基結(jié)構(gòu)，結(jié)合亞微米鰭溝道引發(fā)的側(cè)壁自耗盡效應(yīng)，成功解決了寬禁帶半導(dǎo)體器件在高電場下的漏電失控難題。在無任何場板或鈍化層輔助的情況下，0.1μm窄鰭器件展現(xiàn)出1148V擊穿電壓，反向漏電流穩(wěn)定維持在1μA/cm2的商用水平，且在150℃高溫環(huán)境下未出現(xiàn)性能衰減。歐姆接觸的引入使比導(dǎo)通電阻降至7mΩ·cm2，較同類溝槽肖特基二極管降低35%，這一突破性進(jìn)展可為光伏逆變器、電動(dòng)汽車快充樁等高壓場景提供全新的解決方案。
圖片來源：中國科學(xué)院蘇州納米所 圖(a) 垂直二極管的漏電流與擊穿電壓基準(zhǔn)性能對(duì)比，(b) 本工作中β-Ga?O?垂直二極管和溝槽SBD的導(dǎo)通電阻與擊穿電壓基準(zhǔn)性能對(duì)比，以及文獻(xiàn)中報(bào)道的結(jié)果對(duì)比
該成果以Kilovolt-Class β-Ga?O??Multi-Fin-Channel Diodes with Ohmic-Contact Anode為題發(fā)表在功率電子器件領(lǐng)域國際頂級(jí)會(huì)議IEEE 37th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs 2025，第一作者為中國科學(xué)院蘇州納米所郭高甫和張曉東，通訊作者為張寶順研究員和河南師范大學(xué)戴憲起教授。
2、增強(qiáng)型垂直晶體管——破解”常開”難題
圖(a) 多鰭通道 β-Ga?O??FinFET示意圖，（b）鰭寬300 nm二極管 SEM 橫截面圖像
針對(duì)氧化鎵材料缺乏p型摻雜的核心瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)同步研發(fā)出國際領(lǐng)先的增強(qiáng)型垂直多鰭晶體管。通過雙柵極鰭形溝道幾何限域技術(shù)，無需依賴p型層即實(shí)現(xiàn)可靠常關(guān)特性，其閾值電壓達(dá)0.87V，開關(guān)比突破7×10?。創(chuàng)新地采用電子束光刻與非金屬掩?？涛g工藝，實(shí)現(xiàn)350nm鰭寬精度控制，配合雙自對(duì)準(zhǔn)平面化技術(shù)精準(zhǔn)構(gòu)筑源漏接觸區(qū)。
最終器件在10V工作電壓下輸出760A/cm2的超高電流密度，比導(dǎo)通電阻僅4.3mΩ·cm2，同時(shí)維持975V擊穿電壓與0.22GW/cm2的優(yōu)異功率品質(zhì)因數(shù)（PFOM），為數(shù)據(jù)中心電源及工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片國產(chǎn)化奠定關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。
圖片來源：中國科學(xué)院蘇州納米所 圖為最新垂直β-Ga?O??MOSFET器件的Vbr與R(on,sp)性能對(duì)比圖
該成果以975V/4.3mΩ·cm2?Enhancement-mode (001) β-Ga?O??Vertical Multi-fin Power Transistors為題發(fā)表在半導(dǎo)體領(lǐng)域國際會(huì)議9th IEEE Electron Devices Technology and Manufacturing 2025，第一作者為中國科學(xué)院蘇州納米所郭高甫，通訊作者為張寶順研究員和河南師范大學(xué)戴憲起教授。
氧化鎵與“導(dǎo)熱王者”金剛石成功“牽手”
中國科學(xué)報(bào)消息，中國科學(xué)院院士、西安電子科技大學(xué)教授郝躍團(tuán)隊(duì)的教授張進(jìn)成、寧靜巧妙引入石墨烯作為“翻譯官”，讓氧化鎵與“導(dǎo)熱王者”金剛石成功“牽手”，解決了散熱難題，讓芯片從此“冷靜”工作。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然-通訊》。
圖片來源：《自然-通訊》文章截圖
氧化鎵雖然應(yīng)用前景廣闊，但其存在散熱性差這一痛點(diǎn)。據(jù)悉，氧化鎵的導(dǎo)熱能力只有硅材料的1/5，容易導(dǎo)致器件損壞、性能下降。為給氧化鎵“降溫”，研究團(tuán)隊(duì)起初想到了導(dǎo)熱性能極好的金剛石，但單晶金剛石尺寸小、價(jià)格昂貴，難以大規(guī)模使用。于是團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向成本更低的“多晶金剛石”，但在多晶上生長氧化鎵薄膜時(shí)，材料會(huì)“亂長”（晶向紊亂），產(chǎn)生裂縫和應(yīng)力，散熱效果大打折扣。
最后，團(tuán)隊(duì)引入“石墨烯”作為中間緩沖層，它解決了兩種材料之間的“溝通障礙”，屏蔽了多晶襯底的粗糙影響，使得氧化鎵薄膜能夠平整又高質(zhì)量地生長在多晶金剛石上。團(tuán)隊(duì)還通過“氧-晶格協(xié)同調(diào)控”技術(shù)，即精細(xì)控制氧氣和原子排列，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量氧化鎵薄膜的穩(wěn)定外延，從而使材料不再“亂長”，熱應(yīng)力也大幅降低。
實(shí)驗(yàn)測得，氧化鎵和金剛石之間的熱阻只有2.82平方米·開爾文/吉瓦——界面熱阻大幅降低，只有傳統(tǒng)技術(shù)的1/10左右。
這項(xiàng)突破不只是實(shí)驗(yàn)室成果，還解決了氧化鎵器件的“自熱”痛點(diǎn)，讓高導(dǎo)熱金剛石和氧化鎵高效“聯(lián)姻”，為解決氧化鎵器件發(fā)熱問題提供了全新思路，也為未來高性能、高可靠性電子器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
它釋放了界面熱應(yīng)力，讓熱量高效傳遞。實(shí)驗(yàn)測得，氧化鎵和金剛石之間的熱阻只有2.82平方米·開爾文/吉瓦——界面熱阻大幅降低，只有傳統(tǒng)技術(shù)的1/10左右?！?/p>
（集邦化合物半導(dǎo)體 秦妍 整理）
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