國內 “第四代半導體” 迎重大突破！

國內半導體產業再傳好消息！近日西安郵電大學由電子工程學院管理的新型半導體器件與材料重點實驗室陳海峰教授團隊成功在8吋硅片上制備出了高質量的氧化鎵外延片，這一成果標志著西安郵電大學在超寬禁帶半導體研究上取得重要進展。

據陳海峰教授介紹，氧化鎵是一種超寬禁帶半導體材料，具有優異的耐高壓與日盲紫外光響應特性，在功率器件和光電領域應用潛力巨大。硅上氧化鎵異質外延有利于硅電路與氧化鎵電路的直接集成，同時擁有成本低和散熱好等優勢。
01.氧化鎵技術連續取得突破相信很多人都了解以碳化硅、氮化鎵為主的第三代半導體材料，但對氧化鎵卻少有所聞，氧化鎵是“第四代半導體”的典型代表，憑借其高耐壓、低損耗、高效率、小尺寸等特性，成功進入人們的視野。近兩年來，我國在氧化鎵的制備上連續取得突破性進展。今年2月28日，中國電科46所成功制備出我國首顆6英寸氧化鎵單晶，達到國際最高水平。中國電科46所氧化鎵團隊從大尺寸氧化鎵熱場設計出發，成功構建了適用于6英寸氧化鎵單晶生長的熱場結構，突破了6英寸氧化鎵單晶生長技術，可用于6英寸氧化鎵單晶襯底片的研制，將有力支撐我國氧化鎵材料實用化進程和相關產業發展。2月27日，中國科學技術大學校微電子學院龍世兵教授課題組聯合中科院蘇州納米所加工平臺，分別采用氧氣氛圍退火和氮離子注入技術，首次研制出了氧化鎵垂直槽柵場效應晶體管。相關研究成果日前分別在線發表于《應用物理通信》《IEEE電子設備通信》上。去年12月，銘鎵半導體完成了4英寸氧化鎵晶圓襯底技術突破，成為國內首個掌握第四代半導體氧化鎵材料4英寸相單晶襯底生長技術的產業化公司。去年5月，浙大杭州科創中心首次采用新技術路線成功制備2英寸的氧化鎵晶圓，而使用這種具有完全自主知識產權技術生產的2英寸氧化鎵晶圓在國際上為首次。作為一種新型超寬禁帶半導體材料，氧化鎵在微電子與光電子領域均擁有廣闊的應用前景，可以有效降低新能源汽車、軌道交通、可再生能源發電等領域在能源方面的消耗。為進一步推動氧化鎵產業發展，科技部高新司甚至已于2017年便將其列入重點研發計劃。此外，安徽、北京等省市也將氧化鎵列為了重點研發對象。
02.能改變半導體行業的新技術？眾所周知，以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導體材料，正憑借耐高溫、抗高壓、開關速度快、效率高、節能、壽命長等特點被國內外相關企業持續關注和布局。目前，寬禁帶半導體發展勢頭正猛，“超禁帶半導體”也悄然入局。氧化鎵作為第四代半導體的代表，被視為“替代碳化硅和氮化鎵”的新一代半導體材料。氧化鎵是一種無機化合物，化學式為Ga2O3（三氧化二鎵），是一種寬禁帶半導體。氧化鎵擁有超寬帶隙（4.2-4.9eV）、超高臨界擊穿場強（8MV/cm）、超強透明導電性等優異物理性能。作為對比，碳化硅和氮化鎵的帶隙為3.3eV，而硅則僅有1.1eV，遠遠達不到氧化鎵的帶隙，因此，這種新材料可以承受比SiC或GaN器件更高的工作電壓，導通電阻也更低。再加上其能被廣泛采用的天然襯底，不僅可以開發者可以輕易基于此開發出小型化，高效的大功率晶體管。而且可以有效降低新能源汽車、軌道交通、可再生能源發電等領域在能源方面的消耗，是制造大功率半導體主要材料，能使半導體耐受更高電壓及溫度，因此在智能電網、軌道交通等領域有著廣闊應用前景。此外，氧化鎵薄膜對應的吸收波長為253nm，處在太陽光盲區（240-280 nm）波段中，因此是制備太陽光盲深紫外探測器的理想材料。因此，氧化鎵在日盲紫外（200-300 nm波段）器件和超高功率（1-10 kW）電力電子器件方面有著無法取代的應用價值。另一個角度看，氧化鎵擁有更加易于制造的天然襯底，載流子濃度的控制以及固有的熱穩定性。相關論文表示，用Si或Sn對Ga2O3進行N型摻雜時，可以實現良好的可控性。盡管某些UWBG半導體（例如AlN，c-BN和金剛石）在BFOM圖表中擊敗了Ga2O3，但它們的廣泛使用受到了嚴格的限制。換而言之，AlN，c-BN和金剛石仍然缺乏高質量外延生長的合適襯底。最后，從損耗上來看，理論數據顯示氧化鎵的損耗是硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化鎵的1/3，更少的損耗也就意味著能更好地節省成本。另外，氧化鎵單晶可通過熔融法實現，單晶襯底成本更低，這都讓產業界人士對氧化鎵的未來有了很高的期待。從制造工藝來說，氧化鎵的生長分為襯底材料的生長和薄膜的生長；氧化鎵單晶襯底材料的生長方法有升華法，提拉法和HVPE等；氧化鎵單晶薄膜的生長技術有金屬有機氣相沉積法和分子束外延法，其中MOCVD法質量較高，可實現多片快速生長，適用于工業化生產，生長采用的金屬有機源為三甲基鎵，氧源為高純氧氣，生長溫度為550-700攝氏度。
03.導熱性低、成本高等問題尚待優化在上文中，我們已經詳細的講解了氧化鎵作為新一代半導體材料所具備的優勢，但要像大規模落地，還有一些需要解決的缺點：一是氧化鎵導熱性低，在目前已知的所有可用于射頻放大或功率切換的半導體中，氧化鎵的導熱性最差。其熱導率只有金剛石的1／60，碳化硅（高性能射頻氮化鎵的基底）的1／10，約為硅的1／5。低熱導率意味著晶體管中產生的熱量可能會停留，有可能極大地限制器件的壽命。二是成本問題，上文中提到氧化鎵器件的損耗更低，但要知道氧化鎵襯底主要采用導模法進行生產，導模法需要在1800℃左右的高溫、含氧環境下進行晶體生長，對生長環境要求很高，需要耐高溫、耐氧，還不能污染晶體等特性的材料做坩堝，綜合考慮性能和成本只有貴金屬銥適合盛裝氧化鎵熔體。而銥的價格極其昂貴，接近黃金的三倍，僅坩堝造價就超過600萬，從大規模生產角度很難擴展設備數量，另一方面，銥只能依賴進口，給供應鏈帶來很大風險。三是氧化鎵器件目前僅有N型材料，而一般大規模應用的半導體材料需要P型和N型共同存在，形成PN結從而參照Si的器件結構和工藝直接制造MOS、IGBT等多種器件，才能有廣泛的市場應用。
04.市場新風口，未來前景有多大？近年來，以碳化硅、氮化鎵為主的第三代半導體材料需求爆發，成為資本市場追逐的對象。如今，以氧化鎵為代表的第四代半導體材料的閃亮登場，有望成為半導體賽道的新風口。根據日本氧化鎵企業FLOSFIA預計，2025年氧化鎵功率器件市場規模將開始超過氮化鎵，2030年達到15.42億美元（約人民幣100億元），達到碳化硅的40％，達到氮化鎵的1.56倍。單看新能源車市場，2021年全球新能源車銷量650萬輛，新能源汽車滲透率為14.8％，而碳化硅的滲透率為9％，隨著新能源車的滲透率提高，市場規模將逐步擴大，目前碳化硅、氮化鎵還遠未達到能夠左右市場的程度，相比之下氧化鎵的發展窗口非常充裕。全球功率器件市場和氧化鎵功率器件市場規模（百萬美元）在射頻器件市場，氧化鎵的市場容量可參考碳化硅外延氮化鎵器件的市場。碳化硅半絕緣型襯底主要用于5G****、衛星通訊、雷達等方向，2020年碳化硅外延氮化鎵射頻器件市場規模約8.91億美元，2026年將增長至22.22億美元（約人民幣150億元）。碳化硅外延氮化鎵器件的市場規模（百萬美元）從應用領域來看，氧化鎵在以下方面將會得到長遠發展：1．功率電子氧化鎵功率器件跟氮化鎵、碳化硅有部分重合，在軍民應用領域有廣泛的應用前景。在軍用領域可用于高功率電磁炮、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，可大幅降低武器裝備系統損耗，減小熱冷系統體積和重量，滿足軍事應用部件對小型化、輕量化、快速化與抗輻照耐高溫的要求；在民用領域可用于電網、電力牽引、光伏、電動汽車、家用電器、醫療設備和消費類電子等領域，能夠實現更大的節能減排；2．襯底材料氧化鎵能通過提拉法快速制備，是一種有潛力的襯底材料，可用來制備大功率GaN基LED，也可以利用同質外延制備新型氧化鎵基功率電子器件；3．透明導電氧化物薄膜氧化鎵晶體化學性質穩定，不易被腐蝕，機械強度高，高溫下性能穩定，有高的可見光和紫外光的透明度，尤其是其在紫外和藍光區域透明，這是傳統的透明導電材料所不具備的，因此β－Ga2O3單晶可以成為新一代透明導電材料，在太陽能電池、平板顯示技術上得到應用；4．日盲紫外光探測器及氣體傳感器由于氧化鎵高溫下性能穩定，有高的可見光和紫外光的透明度，尤其是在紫外和藍光區域透明，因此日盲紫外探測器是目前氧化鎵比較確定的一條應用路線。
05.日本遙遙領先，國內奮起直追縱觀氧化鎵發展歷史，日本遙遙領先全球并引領其商業化。早在2008年，京都大學的藤田教授就發布了氧化鎵深紫外線檢測和SchottkyBarrier Junction、藍寶石（Sapphire）晶圓上的外延生長（Epitaxial Growth）等研發成果。2012年，日本率先獲得2英寸氧化鎵材料，并于2014年實現了批量產業化，隨后又實現了4英寸氧化鎵材料的突破及產業化；2015年，推出了高質量氧化鎵單晶襯底；2016年又推出了同質外延片，此后基于氧化鎵材料的器件研究成果開始爆發式出現，各國開始爭相布局。在國際上，有三家公司作為氧化鎵襯底、晶圓和器件的開發商和制造商脫穎而出，分別是美國的Kyma Technologies和日本的FLOSFIA和Novel Crystal Technology。2021年，Novel CrystalTechnology全球首次量產了100mm 4英寸的“氧化鎵”晶圓。2022年，Novel CrystalTechnology與大陽日酸株式會社、東京農業技術大學合作，將備受關注的氧化鎵（β－Ga2O3）用HVPE法成功地在6英寸晶圓上沉積。FLOSFIA則是在2022年，與三菱重工、豐田汽車子公司電裝和大規模生產使用氧化鎵（硅的替代品）作為半導體材料的功率半導體。國內方面也有不少企業開始布局氧化鎵領域，比如：北京鎵族科技，成立于2017年，專業從事超寬禁帶（第四代）半導體氧化鎵材料開發及器件芯片應用產業化的國家高新技術產業公司，涵蓋完整的產業中試產線，具備研發和小批量生產能力，初步構建了氧化單晶襯底、氧化鎵異質／同質外延襯底生產和研發平臺。杭州富加鎵業，成立于2019年，是由中國科學院上海光學精密機械研究所與杭州市富陽區政府共建的“硬科技”產業化平臺——杭州光機所孵化的科技型企業，專注于寬禁帶半導體材料研發，最初技術來源于中科院上海光機所技術研發團隊，主要從事氧化鎵單晶材料設計、模擬仿真、生長及性能表征等工作。北京銘鎵半導體，成立于2020年，是國內專業從事氧化鎵材料及其功率器件產業化的高新企業，專注于新型超寬禁帶半導體材料氧化鎵的高質量單晶與外延襯底、高靈敏度日盲紫外探測器件和高頻大功率器件等產業化高新技術的研發。目前，銘鎵半導體已實現量產2英寸氧化鎵襯底材料，突破4英寸技術，是目前唯一可實現國產工業級“氧化鎵”半導體晶片小批量供貨中國廠家，已完成兩輪融資。深圳進化半導體，立于2021年，是一家專業從事第四代半導體氧化鎵（Ga2O3）晶片研發、生產和銷售的半導體企業，是少有的擁有氧化鎵的單晶爐設計、熱場設計、生長工藝、晶體加工等全系列自主知識產權技術的氧化鎵單晶襯底生產商之一。
06.氧化鎵產業化初期，國產“突圍”有望目前，國內對于氧化鎵半導體十分看重，早在2018年，我國已啟動了包括氧化鎵、金剛石、氮化硼等在內的超寬禁帶半導體材料的探索和研究。2022年，科技部將氧化鎵列入“十四五”重點研發計劃。除了上文列舉的幾家國內廠商以外，國內氧化鎵材料研究單位還有中電科46所、上海光機所等等，還有數十家高校院所積極展開氧化鎵項目的研發工作，積累了豐富的技術成果。隨著市場需求持續旺盛，這些科研成果有望逐步落地。由于全球氧化鎵產業均在產業化的前期，這或許可以幫助國產半導體在全球半導體競爭中實現“突圍”。 

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