第四代半導體來(lái)了，氧化鎵能取代碳化硅？

在數字化和智能化趨勢的推動(dòng)下，半導體市場(chǎng)的發(fā)展熱度持續攀升。特別是隨著(zhù)量子信息、人工智能等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，半導體新體系及其微電子等多功能器件技術(shù)也在迅速更新迭代。為了滿(mǎn)足新的高性能和低成本的需求，行業(yè)內開(kāi)始關(guān)注第四代半導體，其中最引人矚目的就是氧化鎵。

(資料圖片僅供參考)

這種材料具有許多優(yōu)越的特性，被視為可能顛覆目前的化合物半導體市場(chǎng)，并讓國產(chǎn)芯片商實(shí)現彎道超車(chē)的材料。但氧化鎵也有不少挑戰需要面對和克服。在這篇文章中，與非研究院將詳細介紹氧化鎵的優(yōu)勢、挑戰以及市場(chǎng)前景。

出口管制下的半導體關(guān)鍵原料

2023年8月1日，中國商務(wù)部和海關(guān)總署正式對半導體原料鎵和鍺實(shí)施出口管制。對于這一舉動(dòng)，業(yè)界眾說(shuō)紛紜，有不少人認為這一舉動(dòng)是為了回應荷蘭ASML對于光刻機出口的管制升級。不過(guò)就在2022年8月，美國就將高純度的半導體材料氧化鎵列入禁止對華出口管制清單中。美國商務(wù)部的工業(yè)和安全局（BIS）也宣布將能承受高溫高電壓的第四代半導體材料氧化鎵和金剛石，以及專(zhuān)門(mén)用于3nm及以下芯片設計的ECAD軟件納入新的出口管制范圍。

這一出口管制在當時(shí)關(guān)注的人不多，直到一年后中國將鎵列入出口管制名單，業(yè)界才開(kāi)始關(guān)注到第四代半導體的重要材料——氧化鎵。鎵和鍺是半導體行業(yè)的關(guān)鍵原料，他們的應用廣泛涵蓋了第一代到第四代半導體的制造。在摩爾定律面臨瓶頸的今天，具有更大禁帶寬度的半導體材料如金剛石、氧化鎵、AlN及BN等，其優(yōu)異的物理性能有可能成為下一代信息技術(shù)的驅動(dòng)力。

對于中國而言，正值半導體發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，美方的種種制裁使得氧化鎵等關(guān)鍵革命性材料的研究成為突破制約的關(guān)鍵。盡管挑戰重重，但如果我們能在這次半導體技術(shù)的革命中成功，那么中國將有可能從一個(gè)制造大國一躍成為制造強國，實(shí)現真正的百年未有之大變局。這不僅是對中國科技力量的一次重大考驗，更是展現中國面對全球科技挑戰能力的一次重要機遇。

超越碳化硅，氧化鎵的優(yōu)勢

氧化鎵，這種第四代半導體材料，具備禁帶寬度大（4.8 eV）、臨界擊穿場(chǎng)強高（8MV/cm）、導通特性好等優(yōu)勢。氧化鎵有五種已確認的結晶形態(tài)，其中最穩定的是β-Ga₂O₃。其禁帶寬度為4.8～4.9 eV，擊穿場(chǎng)強高達8 MV/cm，而其導通電阻比SiC、GaN低得多，極大降低了器件的導通損耗。其特性參數巴利加優(yōu)質(zhì)（BFOM）高達3400，大約是SiC的10倍、GaN的4倍。

圖：按照禁帶寬度排序的半導體材料

相比于碳化硅和氮化鎵，氧化鎵的生長(cháng)過(guò)程可以使用常壓下的液態(tài)熔體法，這使得其品質(zhì)高、產(chǎn)量大且成本低。而碳化硅和氮化鎵由于自身的特性，只能使用氣相法生產(chǎn)，需要維持高溫生產(chǎn)環(huán)境，消耗大量能源。這就表示在生產(chǎn)制造上氧化鎵將具有成本優(yōu)勢，同時(shí)適合國內廠(chǎng)商快速提高產(chǎn)能。

圖：四代半導體屬性

在與碳化硅的比較中，氧化鎵在幾乎所有的性能參數上都超過(guò)了碳化硅。特別是其較大的禁帶寬度和較高的擊穿場(chǎng)強，使得它在大功率和高頻率應用中具有顯著(zhù)優(yōu)勢。

氧化鎵的具體應用和市場(chǎng)潛力

氧化鎵的發(fā)展前景日益凸顯，該市場(chǎng)當前主要由日本的Novel Crystal Technology（NCT）和Flosfia兩大巨頭壟斷。NCT自2012年開(kāi)始投入氧化鎵的研發(fā)，成功突破多項關(guān)鍵技術(shù)，包括2英寸氧化鎵晶體與外延技術(shù)，以及氧化鎵材料的量產(chǎn)等。其高效性與高性能受到了行業(yè)的廣泛認可。其在2021年成功量產(chǎn)4英寸氧化鎵晶圓，并已開(kāi)始供應客戶(hù)晶圓，為日本在第三代化合物半導體競賽中再度保持領(lǐng)先。

據NCT預測，氧化鎵晶圓的市場(chǎng)在未來(lái)十年將放量增長(cháng)，到2030年度將擴大到約30.2億元人民幣規模。FLOSFIA預測，到2025年，氧化鎵功率器件市場(chǎng)規模將開(kāi)始超過(guò)氮化鎵，2030年將達到15.42億美元（約100億元人民幣），占碳化硅的40%，是氮化鎵的1.56倍。根據富士經(jīng)濟的預測，到2030年，氧化鎵功率元件市場(chǎng)規模將達到1542億日元（約92.76億元人民幣），將超過(guò)氮化鎵功率元件的市場(chǎng)規模。這種趨勢反映了氧化鎵在功率電子設備中的重要性及其未來(lái)的潛力。

全球功率器件市場(chǎng)和氧化鎵功率器件市場(chǎng)規模（百萬(wàn)美元），來(lái)源：FLOSFIA

在一些特定應用領(lǐng)域，氧化鎵有著(zhù)巨大的優(yōu)勢。在功率電子領(lǐng)域，氧化鎵功率器件與氮化鎵、碳化硅有部分重合，軍用領(lǐng)域主要應用于高功率電磁炮、坦克戰斗機艦艇等電源控制系統以及抗輻照、耐高溫宇航用電源等。民用領(lǐng)域則主要應用于電網(wǎng)、電力牽引、光伏、電動(dòng)汽車(chē)、家用電器、醫療設備和消費類(lèi)電子等領(lǐng)域。

圖：日本FLOSFIA公司的氧化鎵功率器件市場(chǎng)戰略，來(lái)源：FLOSFIA

新能源車(chē)市場(chǎng)也為氧化鎵提供了巨大的應用場(chǎng)景。然而，國內在車(chē)規級功率器件方面一直很薄弱，目前尚無(wú)車(chē)規的SiC MOS IDM。雖然有幾家在XFab代工的Fabless企業(yè)可以快速具備較為全面的SBD和MOS規格推向市場(chǎng)，銷(xiāo)售和融資進(jìn)展較為順利，但是未來(lái)仍要自建FAB 形成IDM掌握產(chǎn)能、研發(fā)獨有工藝，才能產(chǎn)生差異化的競爭優(yōu)勢。

充電樁對成本非常敏感，這就為氧化鎵提供了機會(huì )。如果能滿(mǎn)足甚至超過(guò)性能需求的同時(shí)，以成本優(yōu)勢獲得市場(chǎng)的認可，那么氧化鎵在這個(gè)領(lǐng)域的應用就有很大的可能性。

在射頻器件市場(chǎng)，氧化鎵的市場(chǎng)容量可參考碳化硅外延氮化鎵器件的市場(chǎng)。新能源汽車(chē)的核心是逆變器，對器件的規格要求非常高。目前，有意法半導體、日立、安森美、Rohm等企業(yè)能夠量產(chǎn)供應車(chē)規級SiC MOSFET。預計到2026年，這一數字將增長(cháng)至22.22億美元（約150億元人民幣），表明氧化鎵在射頻器件市場(chǎng)具有廣闊的應用前景和市場(chǎng)潛力。

電力電子領(lǐng)域的另一項重要應用是48V電池。隨著(zhù)鋰電池的廣泛使用，可以用更高的電壓系統取代鉛蓄電池12V電壓系統，實(shí)現高效、減重、節能的目的。這些鋰電池系統內將廣泛采用48V電壓，對于電子電力系統來(lái)說(shuō)，需要的是高效率的48V→12V/5V轉換。以二輪電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)為例，據2020年的資料顯示，中國電動(dòng)兩輪車(chē)總體產(chǎn)量為4834萬(wàn)輛，同比增長(cháng)27.2%，鋰電滲透率超過(guò)16%。面對這樣的市場(chǎng)，氧化鎵、GaN和硅基SG-MOS器件等100V耐壓大電流器件正在瞄準這個(gè)應用發(fā)力。

在工業(yè)領(lǐng)域，它有幾大機會(huì )和優(yōu)勢，包括單極替換雙極，更高的能效，易于大規模生產(chǎn)，以及可靠性的需求。這些特性使得氧化鎵在未來(lái)的電力應用中可能扮演重要角色。

長(cháng)期來(lái)看，氧化鎵的功率器件預計將在650V/1200V/1700V/3300V的市場(chǎng)中發(fā)揮作用，并預計在2025年至2030年將全面滲透車(chē)載和電氣設備領(lǐng)域。短期來(lái)說(shuō)，氧化鎵的功率器件將首先在消費電子、家電以及高可靠、高性能的工業(yè)電源等領(lǐng)域出現。它的這些特性可能使其在硅（Si）、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等材料之間形成競爭。

筆者認為，未來(lái)幾年氧化鎵的競爭焦點(diǎn)將集中在400V平臺的常規使用650V器件領(lǐng)域。這個(gè)領(lǐng)域的競爭將涉及到開(kāi)關(guān)頻率、能量損耗、芯片成本、系統成本、和可靠性等多個(gè)因素。然而，隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，平臺可能升級為800V，這將需要使用1200V或1700V器件，這已經(jīng)是SiC和Ga₂O₃的優(yōu)勢領(lǐng)域。在這個(gè)競爭中，初創(chuàng )企業(yè)有機會(huì )通過(guò)與客戶(hù)深入溝通，建立場(chǎng)景認知、車(chē)規體系和客戶(hù)心智，為向車(chē)企客戶(hù)逆變器應用奠定堅實(shí)基礎。

總的來(lái)說(shuō)，氧化鎵在功率器件領(lǐng)域有很大的潛力，能夠在多個(gè)領(lǐng)域與SiC、GaN等材料進(jìn)行競爭，滿(mǎn)足高效、低能耗、高頻和高溫等高性能應用的需求。但是，新材料在逆變器和充電器等應用上的滲透需要時(shí)間，需要不斷進(jìn)行面向特定應用的適合規格的開(kāi)發(fā)，并逐步向市場(chǎng)推廣。

氧化鎵應用領(lǐng)域

圖：國內外氧化鎵MOSFET器件進(jìn)展

氧化鎵產(chǎn)業(yè)鏈與主要玩家

圖：氧化鎵的產(chǎn)業(yè)鏈

氧化鎵襯底和外延環(huán)節位于功率器件的產(chǎn)業(yè)鏈上游。以碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈為例，價(jià)值主要集中在上游襯底和外延環(huán)節：一個(gè)碳化硅器件的成本中，47%來(lái)自襯底，23%來(lái)自外延，總共占到了70%。隨著(zhù)氧化鎵的成本進(jìn)一步降低，襯底占比將會(huì )比SiC小得多。

目前，全球各大半導體企業(yè)都在積極布局氧化鎵，其中日本處于領(lǐng)先地位。主要進(jìn)行氧化鎵功率元件研發(fā)的并不是Cree、Rohm、ST、Infineon、Bosch、OnSemi等功率半導體和元器件龍頭企業(yè)，而是一些初創(chuàng )企業(yè)。未來(lái)的主要應用場(chǎng)景包括通信、雷達、航空航天、高鐵動(dòng)車(chē)、新能源汽車(chē)等領(lǐng)域，特別是在大功率和超大功率芯片上有著(zhù)巨大的應用潛力。

與非研究院總結了目前國內外主要的氧化鎵產(chǎn)業(yè)鏈玩家包括：

圖：國內氧化鎵核心研發(fā)者一覽圖

1. 國際

日本在氧化鎵研究方面全球領(lǐng)先，早在2012年就報道了氧化鎵功率器件，后續研發(fā)出高質(zhì)量的氧化鎵單晶襯底和同質(zhì)外延片。

韓國的碳化硅產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟由30家半導體企業(yè)、大學(xué)和研究所組成，應對寬禁帶半導體市場(chǎng)的增長(cháng)。

日本的Novel Crystal Technology公司計劃于2025年每年生產(chǎn)2萬(wàn)枚100毫米氧化鎵晶圓。

2. 中國

中國科大國家示范性微電子學(xué)院龍世兵教授課題組在氧化鎵器件的研究方面取得了突破。

浙大杭州科創(chuàng )中心在2022年成功制備了2英寸的氧化鎵晶圓。

北京鎵族科技是一家專(zhuān)門(mén)從事超寬禁帶半導體氧化鎵材料開(kāi)發(fā)及器件芯片應用產(chǎn)業(yè)化的公司。

杭州富加鎵業(yè)由中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所與杭州市富陽(yáng)區政府共建，專(zhuān)業(yè)從事氧化鎵單晶材料設計、模擬仿真、生長(cháng)及性能表征等工作。

北京銘鎵半導體專(zhuān)注于氧化鎵材料及其功率器件產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)，已經(jīng)實(shí)現2英寸氧化鎵襯底材料的量產(chǎn)。

深圳進(jìn)化半導體是一家專(zhuān)業(yè)從事第四代半導體氧化鎵晶片研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售的半導體企業(yè)。

中國電科46所成功構建了適用于6英寸氧化鎵單晶生長(cháng)的熱場(chǎng)結構。

西安郵電大學(xué)的科研團隊在8英寸硅片上成功制備出氧化鎵外延片。

五家中國公司——中國西電、新湖中寶、中鋼國際、藍曉科技和南大光電，已在氧化鎵半導體領(lǐng)域進(jìn)行了深入布局。

圖：氧化鎵行業(yè)相關(guān)政策

目前，中國科技部將氧化鎵列入了“十四五重點(diǎn)研發(fā)計劃”。各個(gè)從事氧化鎵材料和器件研究的單位和企業(yè)，包括中電科46所、西安電子科技大學(xué)、山東大學(xué)、上海光機所、上海微系統所、復旦大學(xué)、南京大學(xué)等，都在科技成果的轉化上發(fā)揮了重要作用。上面提到的中電科46所、深圳進(jìn)化半導體、上海光機所、鎵族科技、銘鎵半導體、富加鎵業(yè)等。這些單位的研究和開(kāi)發(fā)工作積累了豐富的技術(shù)成果，為氧化鎵的市場(chǎng)化應用鋪平了道路。

其中中電科46所經(jīng)過(guò)多年的氧化鎵晶體生長(cháng)技術(shù)探索，已經(jīng)成功制備出國內首片高質(zhì)量的2英寸和4英寸氧化鎵單晶。然后，西電大學(xué)/微系統所利用“萬(wàn)能離子刀”智能剝離與轉移技術(shù)，首次將晶圓級β相GaO單晶薄膜（400nm）與高導熱的Si和4H-SiC襯底晶圓級集成，制備出高性能器件。

與此同時(shí)，國內的氧化鎵產(chǎn)業(yè)也在蓬勃發(fā)展，預計2023年底將建成國內首條集晶體生長(cháng)、晶體加工、薄膜外延于一體的氧化鎵完整產(chǎn)業(yè)線(xiàn)。

總結：氧化鎵產(chǎn)業(yè)化的挑戰與機遇

作為一種半導體新材料，氧化鎵在未來(lái)十年內可能直接與碳化硅進(jìn)行競爭，尤其在航空航天、5G通訊、軌道交通、高端裝備、智能電網(wǎng)和新能源汽車(chē)等領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景。然而，氧化鎵的市場(chǎng)規模突破與其成本的快速降低緊密相關(guān)。

氧化鎵的研發(fā)對技術(shù)實(shí)力和理解有高要求，如對生長(cháng)、加工與調控的理解，以及選擇合適的工藝路線(xiàn)等。獨立設計的設備不僅降低成本，還提高優(yōu)化可能性。而沒(méi)有設備研發(fā)能力的企業(yè)難以取得重大突破。

在投資角度看，要獲得氧化鎵產(chǎn)業(yè)化中的成功，企業(yè)需要具備材料科學(xué)、設備研發(fā)等方面的深厚技術(shù)積累，并對設備和工藝有深入理解，以及具備明智的知識產(chǎn)權策略。知識產(chǎn)權布局對新材料研發(fā)至關(guān)重要，它能保護企業(yè)的技術(shù)秘密，避免技術(shù)泄露，同時(shí)也需要企業(yè)發(fā)展自主技術(shù)，避免依賴(lài)他人的專(zhuān)利。氧化鎵盡管在尺寸擴展上具有優(yōu)勢，但大尺寸襯底的研發(fā)仍受到資金和技術(shù)的雙重限制。

作為一種有潛力的襯底材料，氧化鎵可以通過(guò)提拉法快速制備，用于制備大功率GaN基LED，也可以利用同質(zhì)外延制備新型氧化鎵基功率電子器件。氧化鎵的穩定化學(xué)性質(zhì)、機械強度和在高溫下的穩定性能，使其在透明導電氧化物薄膜領(lǐng)域也有著(zhù)廣泛的應用前景。它在紫外和藍光區域透明，因此可以用于日盲紫外光探測器和氣體傳感器的制造。

然而，氧化鎵也面臨著(zhù)自身的挑戰。首先，高溫含氧環(huán)境下制備氧化鎵晶體，需要使用耐高溫、耐氧化的貴金屬銥金作為坩堝材料，顯著(zhù)增加了制備成本。其次，氧化鎵在大尺寸單晶制備上存在技術(shù)難度，市場(chǎng)配套設施不完善，這些都是限制其廣泛應用的重要因素。其制造過(guò)程中的雜質(zhì)控制和摻雜問(wèn)題以及高昂的制造成本是其最大的難題。

盡管如此，最新的研究表明，新的制備技術(shù)，如無(wú)銥法制備氧化鎵的工藝，正在被開(kāi)發(fā)和應用。這些新技術(shù)極大降低了氧化鎵的生產(chǎn)成本，有望實(shí)現碳化硅襯底成本的十分之一。雖然目前碳化硅正在大舉攻占市場(chǎng)，而氧化鎵還需要一兩年的時(shí)間才能挑戰碳化硅的地位，但是碳化硅的成本從原理上就無(wú)法降低到氧化鎵的程度。隨著(zhù)未來(lái)幾年氧化鎵產(chǎn)業(yè)鏈的逐步成熟，氧化鎵的優(yōu)良性能和低廉的價(jià)格將會(huì )讓其在市場(chǎng)中得到廣泛的應用。

盡管氧化鎵的特性具有許多優(yōu)點(diǎn)，但還存在熱導率低、P型摻雜等技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)由于市場(chǎng)相關(guān)配套設施不完善，缺乏典型標桿性應用場(chǎng)景，氧化鎵尚未實(shí)現大規模應用。對此，國內產(chǎn)業(yè)突破的關(guān)鍵在于具備行業(yè)影響力和系統設計能力的廠(chǎng)商率先嘗試應用氧化鎵。

總的來(lái)說(shuō)，氧化鎵比起其他半導體新材料如氮化鎵和碳化硅，有望在短時(shí)間內實(shí)現更快的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度，這得益于自主可控的目標、國家政策的大力支持和產(chǎn)業(yè)節能升級的需求。在未來(lái)10年，氧化鎵器件有可能成為直接與碳化硅競爭的電力電子器件。但是，作為半導體新材料，氧化鎵市場(chǎng)規模的突破取決于成本的快速降低。我們期待中國能夠緊跟業(yè)界腳步，在氧化鎵的研發(fā)和應用上取得更多的突破。

本文來(lái)自微信公眾號：與非網(wǎng)eefocus（ID：ee-focus），作者：李堅

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