本文來自微信公眾號(hào)“與非網(wǎng)eefocus”，作者/李堅(jiān)。
在數(shù)字化和智能化趨勢(shì)的推動(dòng)下，半導(dǎo)體市場(chǎng)的發(fā)展熱度持續(xù)攀升。特別是隨著量子信息、人工智能等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)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。為了滿足新的高性能和低成本的需求，行業(yè)內(nèi)開始關(guān)注第四代半導(dǎo)體，其中最引人矚目的就是氧化鎵。
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(dǎo)體市場(chǎng)，并讓國產(chǎn)芯片商實(shí)現(xiàn)彎道超車的材料。但氧化鎵也有不少挑戰(zhàn)需要面對(duì)和克服。在這篇文章中，與非研究院將詳細(xì)介紹氧化鎵的優(yōu)勢(shì)、挑戰(zhàn)以及市場(chǎng)前景。
出口管制下的半導(dǎo)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(duì)半導(dǎo)體原料鎵和鍺實(shí)施出口管制。對(duì)于這一舉動(dòng)，業(yè)界眾說紛紜，有不少人認(rèn)為這一舉動(dòng)是為了回應(yīng)荷蘭ASML對(duì)于光刻機(jī)出口的管制升級(jí)。不過就在2022年8月。美國就將高純度的半導(dǎo)體材料氧化鎵列入禁止對(duì)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(dǎo)體材料氧化鎵和金剛石，以及專門用于3nm及以下芯片設(shè)計(jì)的ECAD軟件納入新的出口管制范圍。
這一出口管制在當(dāng)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)界才開始關(guān)注到第四代半導(dǎo)體的重要材料——氧化鎵。鎵和鍺是半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)鍵原料，他們的應(yīng)用廣泛涵蓋了第一代到第四代半導(dǎo)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(dǎo)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(qū)動(dòng)力。
對(duì)于中國而言，正值半導(dǎo)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(zhàn)重重，但如果我們能在這次半導(dǎo)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(qiáng)國，實(shí)現(xiàn)真正的百年未有之大變局。這不僅是對(duì)中國科技力量的一次重大考驗(yàn)，更是展現(xiàn)中國面對(duì)全球科技挑戰(zhàn)能力的一次重要機(jī)遇。
超越碳化硅，氧化鎵的優(yōu)勢(shì)
氧化鎵，這種第四代半導(dǎo)體材料，具備禁帶寬度大（4.8 eV）、臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)高（8MV/cm）、導(dǎo)通特性好等優(yōu)勢(shì)。氧化鎵有五種已確認(rèn)的結(jié)晶形態(tài)，其中最穩(wěn)定的是β-Ga2O3。其禁帶寬度為4.8～4.9 eV，擊穿場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)8 MV/cm，而其導(dǎo)通電阻比SiC、GaN低得多，極大降低了器件的導(dǎo)通損耗。其特性參數(shù)巴利加優(yōu)質(zhì)（BFOM）高達(dá)3400，大約是SiC的10倍、GaN的4倍。
圖：按照禁帶寬度排序的半導(dǎo)體材料
相比于碳化硅和氮化鎵，氧化鎵的生長過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(shì)，同時(shí)適合國內(nèi)廠商快速提高產(chǎn)能。
圖：四代半導(dǎo)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(shù)上都超過了碳化硅。特別是其較大的禁帶寬度和較高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，使得它在大功率和高頻率應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)。
氧化鎵的具體應(yīng)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(dāng)前主要由日本的Novel Crystal Technology(NCT)和Flosfia兩大巨頭壟斷。NCT自2012年開始投入氧化鎵的研發(fā)，成功突破多項(xiàng)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(rèn)可。其在2021年成功量產(chǎn)4英寸氧化鎵晶圓，并已開始供應(yīng)客戶晶圓，為日本在第三代化合物半導(dǎo)體競賽中再度保持領(lǐng)先。
據(jù)NCT預(yù)測(cè)，氧化鎵晶圓的市場(chǎng)在未來十年將放量增長，到2030年度將擴(kuò)大到約30.2億元人民幣規(guī)模。FLOSFIA預(yù)測(cè)，到2025年，氧化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模將開始超過氮化鎵，2030年將達(dá)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(jù)富士經(jīng)濟(jì)的預(yù)測(cè)，到2030年，氧化鎵功率元件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1,542億日元（約92.76億元人民幣），將超過氮化鎵功率元件的市場(chǎng)規(guī)模。這種趨勢(shì)反映了氧化鎵在功率電子設(shè)備中的重要性及其未來的潛力。
全球功率器件市場(chǎng)和氧化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模（百萬美元），來源：FLOSFIA
在一些特定應(yīng)用領(lǐng)域，氧化鎵有著巨大的優(yōu)勢(shì)。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(yīng)用于高功率電磁炮、坦克戰(zhàn)斗機(jī)艦艇等電源控制系統(tǒng)以及抗輻照、耐高溫宇航用電源等。民用領(lǐng)域則主要應(yīng)用于電網(wǎng)、電力牽引、光伏、電動(dòng)汽車、家用電器、醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)類電子等領(lǐng)域。
圖：日本FLOSFIA公司的氧化鎵功率器件市場(chǎng)戰(zhàn)略，來源：FLOSFIA
新能源車市場(chǎng)也為氧化鎵提供了巨大的應(yīng)用場(chǎng)景。然而，國內(nèi)在車規(guī)級(jí)功率器件方面一直很薄弱，目前尚無車規(guī)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(guī)格推向市場(chǎng)，銷售和融資進(jìn)展較為順利，但是未來仍要自建FAB形成IDM掌握產(chǎn)能、研發(fā)獨(dú)有工藝，才能產(chǎn)生差異化的競爭優(yōu)勢(shì)。
充電樁對(duì)成本非常敏感，這就為氧化鎵提供了機(jī)會(huì)。如果能滿足甚至超過性能需求的同時(shí)，以成本優(yōu)勢(shì)獲得市場(chǎng)的認(rèn)可，那么氧化鎵在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)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)。新能源汽車的核心是逆變器，對(duì)器件的規(guī)格要求非常高。目前，有意法半導(dǎo)體、日立、安森美、Rohm等企業(yè)能夠量產(chǎn)供應(yīng)車規(guī)級(jí)SiC MOSFET。預(yù)計(jì)到2026年，這一數(shù)字將增長至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(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力。
電力電子領(lǐng)域的另一項(xiàng)重要應(yīng)用是48V電池。隨著鋰電池的廣泛使用，可以用更高的電壓系統(tǒng)取代鉛蓄電池12V電壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效、減重、節(jié)能的目的。這些鋰電池系統(tǒng)內(nèi)將廣泛采用48V電壓，對(duì)于電子電力系統(tǒng)來說，需要的是高效率的48V→12V/5V轉(zhuǎn)換。以二輪電動(dòng)車市場(chǎng)為例，據(jù)2020年的資料顯示，中國電動(dòng)兩輪車總體產(chǎn)量為4834萬輛，同比增長27.2%，鋰電滲透率超過16%。面對(duì)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(zhǔn)這個(gè)應(yīng)用發(fā)力。
在工業(yè)領(lǐng)域，它有幾大機(jī)會(huì)和優(yōu)勢(shì)，包括單極替換雙極，更高的能效，易于大規(guī)模生產(chǎn)，以及可靠性的需求。這些特性使得氧化鎵在未來的電力應(yīng)用中可能扮演重要角色。長期來看，氧化鎵的功率器件預(yù)計(jì)將在650V/1200V/1700V/3300V的市場(chǎng)中發(fā)揮作用，并預(yù)計(jì)在2025年至2030年將全面滲透車載和電氣設(shè)備領(lǐng)域。短期來說，氧化鎵的功率器件將首先在消費(fèi)電子、家電以及高可靠、高性能的工業(yè)電源等領(lǐng)域出現(xiàn)。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(rèn)為，未來幾年氧化鎵的競爭焦點(diǎn)將集中在400V平臺(tái)的常規(guī)使用650V器件領(lǐng)域。這個(gè)領(lǐng)域的競爭將涉及到開關(guān)頻率、能量損耗、芯片成本、系統(tǒng)成本、和可靠性等多個(gè)因素。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步，平臺(tái)可能升級(jí)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(shì)領(lǐng)域。在這個(gè)競爭中，初創(chuàng)企業(yè)有機(jī)會(huì)通過與客戶深入溝通，建立場(chǎng)景認(rèn)知、車規(guī)體系和客戶心智，為向車企客戶逆變器應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
總的來說，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，滿足高效、低能耗、高頻和高溫等高性能應(yīng)用的需求。但是，新材料在逆變器和充電器等應(yīng)用上的滲透需要時(shí)間，需要不斷進(jìn)行面向特定應(yīng)用的適合規(guī)格的開發(fā)，并逐步向市場(chǎng)推廣。
氧化鎵應(yīng)用領(lǐng)域
圖：國內(nèi)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(jié)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(jié)：一個(gè)碳化硅器件的成本中，47%來自襯底，23%來自外延，總共占到了70%。隨著氧化鎵的成本進(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(dǎo)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(dǎo)體和元器件龍頭企業(yè)，而是一些初創(chuàng)企業(yè)。未來的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括通信、雷達(dá)、航空航天、高鐵動(dòng)車、新能源汽車等領(lǐng)域，特別是在大功率和超大功率芯片上有著巨大的應(yīng)用潛力。
與非研究院總結(jié)了目前國內(nèi)外主要的氧化鎵產(chǎn)業(yè)鏈玩家包括：
圖：國內(nèi)氧化鎵核心研發(fā)者一覽圖
國際
日本在氧化鎵研究方面全球領(lǐng)先，早在2012年就報(bào)道了氧化鎵功率器件，后續(xù)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(dǎo)體企業(yè)、大學(xué)和研究所組成，應(yīng)對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體市場(chǎng)的增長。
日本的Novel Crystal Technology公司計(jì)劃于2025年每年生產(chǎn)2萬枚100毫米氧化鎵晶圓。
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門從事超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵材料開發(fā)及器件芯片應(yīng)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(jī)械研究所與杭州市富陽區(qū)政府共建，專業(yè)從事氧化鎵單晶材料設(shè)計(jì)、模擬仿真、生長及性能表征等工作。
北京銘鎵半導(dǎo)體專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(xiàn)2英寸氧化鎵襯底材料的量產(chǎn)。
深圳進(jìn)化半導(dǎo)體是一家專業(yè)從事第四代半導(dǎo)體氧化鎵晶片研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的半導(dǎo)體企業(yè)。
中國電科46所成功構(gòu)建了適用于6英寸氧化鎵單晶生長的熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)。
西安郵電大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)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(lán)曉科技和南大光電，已在氧化鎵半導(dǎo)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(jì)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(jī)所、上海微系統(tǒng)所、復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)等，都在科技成果的轉(zhuǎn)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(dǎo)體、上海光機(jī)所、鎵族科技、銘鎵半導(dǎo)體、富加鎵業(yè)等。這些單位的研究和開發(fā)工作積累了豐富的技術(shù)成果，為氧化鎵的市場(chǎng)化應(yīng)用鋪平了道路。
其中中電科46所經(jīng)過多年的氧化鎵晶體生長技術(shù)探索，已經(jīng)成功制備出國內(nèi)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(tǒng)所利用“萬能離子刀”智能剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)，首次將晶圓級(jí)β相GaO單晶薄膜（400nm）與高導(dǎo)熱的Si和4H-SiC襯底晶圓級(jí)集成，制備出高性能器件。
與此同時(shí)，國內(nèi)的氧化鎵產(chǎn)業(yè)也在蓬勃發(fā)展，預(yù)計(jì)2023年底將建成國內(nèi)首條集晶體生長、晶體加工、薄膜外延于一體的氧化鎵完整產(chǎn)業(yè)線。
總結(jié)：氧化鎵產(chǎn)業(yè)化的挑戰(zhàn)與機(jī)遇
作為一種半導(dǎo)體新材料，氧化鎵在未來十年內(nèi)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)和新能源汽車等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，氧化鎵的市場(chǎng)規(guī)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(duì)技術(shù)實(shí)力和理解有高要求，如對(duì)生長、加工與調(diào)控的理解，以及選擇合適的工藝路線等。獨(dú)立設(shè)計(jì)的設(shè)備不僅降低成本，還提高優(yōu)化可能性。而沒有設(shè)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(shè)備研發(fā)等方面的深厚技術(shù)積累，并對(duì)設(shè)備和工藝有深入理解，以及具備明智的知識(shí)產(chǎn)權(quán)策略。知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局對(duì)新材料研發(fā)至關(guān)重要，它能保護(hù)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)，避免依賴他人的專利。氧化鎵盡管在尺寸擴(kuò)展上具有優(yōu)勢(shì)，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(wěn)定化學(xué)性質(zhì)、機(jī)械強(qiáng)度和在高溫下的穩(wěn)定性能，使其在透明導(dǎo)電氧化物薄膜領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。它在紫外和藍(lán)光區(qū)域透明，因此可以用于日盲紫外光探測(cè)器和氣體傳感器的制造。
然而，氧化鎵也面臨著自身的挑戰(zhàn)。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(shè)施不完善，這些都是限制其廣泛應(yīng)用的重要因素。其制造過程中的雜質(zhì)控制和摻雜問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)，如無銥法制備氧化鎵的工藝，正在被開發(fā)和應(yīng)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(xiàn)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(zhàn)碳化硅的地位，但是碳化硅的成本從原理上就無法降低到氧化鎵的程度。隨著未來幾年氧化鎵產(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(yīng)用。
盡管氧化鎵的特性具有許多優(yōu)點(diǎn)，但還存在熱導(dǎo)率低、P型摻雜等技術(shù)問題，同時(shí)由于市場(chǎng)相關(guān)配套設(shè)施不完善，缺乏典型標(biāo)桿性應(yīng)用場(chǎng)景，氧化鎵尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。對(duì)此，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)突破的關(guān)鍵在于具備行業(yè)影響力和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的廠商率先嘗試應(yīng)用氧化鎵。
總的來說，氧化鎵比起其他半導(dǎo)體新材料如氮化鎵和碳化硅，有望在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更快的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度，這得益于自主可控的目標(biāo)、國家政策的大力支持和產(chǎn)業(yè)節(jié)能升級(jí)的需求。在未來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(dǎo)體新材料，氧化鎵市場(chǎng)規(guī)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(yīng)用上取得更多的突破。
