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近日，力積電與日本研發(fā)機構(gòu)合作，開發(fā)出全球獨家第四代氧化物半導體材料制程技術(shù)，可生產(chǎn)分辨率超過5000ppi的顯示驅(qū)動芯片，突破既有元宇宙裝置顯示技術(shù)分辨率、亮度技術(shù)不足限制。力積電預計新制程技術(shù)的AR/VR產(chǎn)品可能在明年小量試產(chǎn)，將有機會成為全球第一家擁有此技術(shù)的廠商。
消息一出，立刻吸引蘋果、LG等大廠主動上門詢問洽談合作。
業(yè)內(nèi)普遍認為，以氧化鎵（GaO或者Ga2O3）為代表的第四代半導體有望替代碳化硅和氮化鎵成為新一代半導體材料。目前，各國的半導體企業(yè)都爭先恐后布局，氧化鎵正在逐漸成為半導體材料界一顆冉冉升起的新星。
然而2022年8月，美國商務部發(fā)布一項臨時最終決定，對氧化鎵、金剛石等超寬禁帶半導體材料實施出口管制，第四代半導體材料再次走入了人們的視野，憑借其比 SiC 和 GaN 更寬的禁帶、耐高壓、大功率等更優(yōu)的特性，以及極低的制造成本，在功率應用方面具有獨特優(yōu)勢。
第四代半導體，又熱了起來。這場接力賽，新加了主人公嗎？
為何而“紅”？
第一代半導體材料主要是指硅（Si）、鍺（Ge）的元素半導體材料；第二代半導體材料主要是指砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等的化合物半導體材料；第三代半導體材料是指以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導體材料。
第四代半導體材料主要是以金剛石（C）、氧化鎵（GaO）、氮化鋁（AlN）為代表的超寬禁帶（UWBG）半導體材料，禁帶寬度超過4eV，以及以銻化物（GaSb、InSb）為代表的超窄禁帶（UNBG）半導體材料。在應用方面，超寬禁帶材料會與第三代材料有交疊，主要在功率器件領(lǐng)域有更突出的特性優(yōu)勢；而超窄禁帶材料，由于易激發(fā)、遷移率高，主要用于探測器、激光器等器件的應用。
氧化鎵是金屬鎵的氧化物，同時也是一種半導體化合物。其結(jié)晶形態(tài)截至目前已確認有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β相最穩(wěn)定。
圖：β相氧化鎵晶體結(jié)構(gòu)（網(wǎng)絡）
下圖則是在電流和電壓需求方面Si，SiC，GaN和氧化鎵功率電子器件的應用的不同領(lǐng)域。
成本也是讓氧化鎵成為吸引產(chǎn)業(yè)關(guān)注的重要因素。
基于SiC襯底，普遍采用化學氣相沉積技術(shù)（CVD）獲得高質(zhì)量外延層，隨后在外延層上進行功率器件的制造。由于SiC襯底晶圓相比Si具有更高的缺陷密度，會進一步干擾外延層生長，外延層本身也會產(chǎn)生結(jié)晶缺陷，影響后續(xù)器件性能。
GaO和藍寶石一樣，可以從溶液狀態(tài)轉(zhuǎn)化成塊狀（Bulk）單結(jié)晶狀態(tài)。日本NCT已試做出最大直徑為6英寸（150mm）的晶圓，直徑為2英寸（50mm）的晶圓已經(jīng)開始銷售作研究開發(fā)方向的用途。這種工藝的特點是良品率高、成本低廉、生長速度快、生長晶體尺寸大。而碳化硅（ SiC ）與氮化鎵 （GaN）材料目前只能使用“氣相法”進行制備，未來成本也將繼續(xù)受到襯底高成本的阻礙而難以大幅度下降。
對于氧化鎵來說，高質(zhì)量與大尺寸的天然襯底，相對于目前采用的寬禁帶 SiC 與 GaN 技術(shù)，將具備獨特且顯著的成本優(yōu)勢。
圖：GaO與SiC成本對比（EEPOWER）
功率半導體的行業(yè)特征適合氧化鎵器件的增長。行業(yè)特征是不需要追趕摩爾定律，一般使用0.18~0.5um制程即可，倚重材料質(zhì)量，對材料和器件的生產(chǎn)工藝要求高，因整體趨向集成化、模塊化，需要開發(fā)新的封裝設(shè)計。除此之外，新能源車等新興應用不斷推動新半導體材料興起。新能源、5G等新興應用加速第三代和第四代半導體材料產(chǎn)業(yè)化需求，我國市場空間巨大且有望在該領(lǐng)域快速縮短和海外企業(yè)的差距。
受下游新能源車、5G、快充等新興市場需求以及潛在的硅材替換市場驅(qū)動，目前深入研究和產(chǎn)業(yè)化方向以SiC和GaN為主，GaO的技術(shù)儲備較弱，真正有技術(shù)的公司面對的競爭壓力小。
第四代，誰跑的快？
富士經(jīng)濟預測2030年氧化鎵功率元件的市場規(guī)模將會達到1,542億日元（約人民幣92.76億元），這個市場規(guī)模要比氮化鎵功率元件的規(guī)模（1,085億日元，約人民幣65.1億元）還要大。
日本
在氧化鎵方面，日本在襯底-外延-器件等方面的研發(fā)全球領(lǐng)先。
據(jù)日本媒體2020年9月報道，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）正準備為致力于開發(fā)新一代低能耗半導體材料“氧化鎵”的私營企業(yè)和大學提供財政支持。METI將為2021年留出大約2030萬美元的資金，預計未來5年的投資額將超過8560萬美元。METI認為，日本公司將能夠在本世紀20年代末開始為數(shù)據(jù)中心、家用電器和汽車供應基于氧化鎵的半導體。一旦氧化鎵取代目前廣泛使用的硅材料，每年將減少1440萬噸二氧化碳的排放。
資料顯示， 日本功率元件方向的氧化鎵研發(fā)始于以下三位：日本國立信息通信技術(shù)研究所（NICT：National Institute of Information and Communications Technology）的東脅正高先生、京都大學的藤田靜雄教授、田村（Tamura）制作所的倉又朗人先生。
NICT的東脅先生于2010年3月結(jié)束在美國大學的赴任并返回日本，以氧化鎵功率元件作為新的研發(fā)主題并進行構(gòu)想。
京都大學的藤田教授于2008年發(fā)布了氧化鎵深紫外線檢測和Schottky Barrier Junction、藍寶石（Sapphire）晶圓上的外延生長（Epitaxial Growth）等研發(fā)成果后，又通過利用獨自研發(fā)的“霧化法”薄膜生產(chǎn)技術(shù)（Mist CVD法）致力于研發(fā)功率元件。
倉又先生在田村（Tamura）制作所負責研發(fā)LED方向的氧化鎵單晶晶圓，并將應用在功率半導體方向。
三人的接觸與新能源·產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）于2011年度提出的“節(jié)能革新技術(shù)開發(fā)事業(yè)—挑戰(zhàn)研發(fā)（事前研發(fā)一體型）、超耐高壓氧化鎵功率元件的研發(fā)”這一委托研發(fā)事業(yè)有一定關(guān)聯(lián)，接受委托的是NICT、京都大學、田村制作所等?？梢哉f，由這一委托開啟了GaO功率元件的正式研發(fā)。
2011年，京都大學投資成立了公司“FLOSFIA”。在2015年，NICT和田村制作所合作投資成立了氧化鎵產(chǎn)業(yè)化企業(yè)“Novel Crystal Technology”，簡稱“NCT”。現(xiàn)在，兩家公司都是日本氧化鎵研發(fā)的中堅企業(yè)，必須強調(diào)的是，這也是世界上僅有的兩家能夠量產(chǎn)GaO材料及器件的企業(yè)，整個業(yè)界已經(jīng)呈現(xiàn)出“All Japan”的景象。
美國
美國空軍研究室在2012年注意到了NICT的成功，研究員Gregg Jessen領(lǐng)導的團隊探索了GaO材料的特性，結(jié)果顯示，GaO材料的速度和高臨界場強在快速功率開關(guān)和射頻功率應用中具有顛覆性的潛力。在這個成果的激勵下，Jessen建立了美國的GaO研究基礎(chǔ)，獲得了首批樣品。
團隊負責人表示：“我們之所以能夠成為該領(lǐng)域的領(lǐng)導者，是因為我們能夠盡早獲得材料”。
中國的氧化鎵
在中國，氧化鎵的研究已經(jīng)進行了十年，近幾年也已經(jīng)有所突破。中國科學院院士郝躍在接受采訪時明確指出，氧化鎵材料是最有可能在未來大放異彩的材料之一，在未來的10年左右，氧化鎵器件有可能成為有競爭力的電力電子器件，會直接與碳化硅器件競爭。
2022年5月，浙大杭州科創(chuàng)中心宣布該中心先進半導體研究院發(fā)明了全新的熔體法技術(shù)路線來研制氧化鎵體塊單晶以及晶圓，目前已經(jīng)成功制備直徑2英寸（50.8mm）的氧化鎵晶圓。
2022年6月，中國科大微電子學院龍世兵教授課題組兩篇論文入選第34屆功率半導體器件和集成電路國際會議（ISPSD），在高耐壓氧化鎵二極管和增強型氧化鎵場效應晶體管兩個課題取得突破。
國內(nèi)研究氧化鎵的機構(gòu)和高校還包括西安電子科技大學、上海光機所、上海微系統(tǒng)所、復旦大學、南京大學、山東大學等。中國電子科技集團公司46所成功制作出國內(nèi)第一塊100mm單晶氧化鎵晶圓。
同時，也有專注于氧化鎵的初創(chuàng)公司也出現(xiàn)，例如北京郵電大學的唐為華老師從2011年以來致力于氧化鎵材料及器件形成科研成果的產(chǎn)業(yè)化平臺北京鎵族科技；中國科學院上海光學精密機械研究所與杭州市富陽區(qū)政府共建的“硬科技”產(chǎn)業(yè)化平臺——杭州光機所孵化的科技型企業(yè)，杭州富加鎵業(yè)。
第四代半導體核心難點在材料制備，材料端的突破將獲得極大的市場價值，這也是我們的突破點，國家在政策和資金方面需要給予大力支持。
作者：米樂
