2.4萬(wàn)
一、市場(chǎng)
1. 定義：一代硅→二代砷化鎵→三代碳化硅氮化鎵→四代氧化鎵
一般用禁帶寬度來(lái)區(qū)分半導(dǎo)體代際，不知道禁帶是啥的請(qǐng)移步半導(dǎo)體全面分析（一）：兩大特性，三大政策，四大分類！
第一代半導(dǎo)體材料以硅為代表，用于計(jì)算、存儲(chǔ)等
第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵GaAs、磷化銦InP為代表，用于通信、光電器件等
第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅SiC、氮化鎵GaN為代表，用于光電、功率器件等
第四代半導(dǎo)體材料分兩個(gè)方向，一是超窄禁帶以銻化物為代表，主要用于紅外探測(cè)領(lǐng)域，市場(chǎng)很小本文不作詳細(xì)介紹；二是超寬禁帶以氧化鎵為代表，主要用于功率器件
四代半導(dǎo)體將會(huì)是最后一代半導(dǎo)體，因?yàn)榻麕г僬褪菍?dǎo)體，禁帶再寬就是絕緣體，已經(jīng)到了半導(dǎo)體的極限，四代半也被稱為終極半導(dǎo)體
2. 優(yōu)勢(shì)：能耗降低 10 倍、耐高壓提升 3 倍、成本降低 5 倍
氧化鎵有 5 種同分異構(gòu)體，其中 β-Ga2O3（β相氧化鎵）最為穩(wěn)定
與三代半代表材料SiC相比，氧化鎵能耗降低?10 倍，耐高壓提升?3 倍
3. 問(wèn)題：遷移率低、導(dǎo)熱率低、P型半導(dǎo)體
沒(méi)有十全十美的材料，氧化鎵材料的主要問(wèn)題是三個(gè)
一是遷移率低，但目前研究表明這些方面對(duì)功率元件的特性不會(huì)有太大的影響，因?yàn)楣β试男阅芎艽蟪潭壬先Q于擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，不取決于遷移率
二是導(dǎo)熱率低，近年業(yè)界已通過(guò)封裝方式解決了散熱問(wèn)題
三是難以制造P型半導(dǎo)體，現(xiàn)在正在解決，或者采用單極器件
4. 應(yīng)用：功率器件SBD/MOS等、日盲紫外光電探測(cè)
日盲紫外光電探測(cè)器件、功率器件（SBD、MOSFET）是氧化鎵商業(yè)化趨勢(shì)明朗的兩個(gè)領(lǐng)域日盲紫外波段（200~280nm）的光線無(wú)法透過(guò)大氣層，會(huì)被大氣層直接吸收。一旦在大氣層中探測(cè)到這種光線，那么它要么來(lái)源于閃電，要么來(lái)源于導(dǎo)彈，要么來(lái)源于戰(zhàn)斗機(jī)，可用于導(dǎo)彈逼近預(yù)警、衛(wèi)星通信、各種環(huán)境監(jiān)測(cè)、海上搜救、無(wú)人機(jī)自動(dòng)著艦導(dǎo)引、化學(xué)生物探測(cè)等
功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，最早可能會(huì)出現(xiàn)在快充和工業(yè)電源上，市場(chǎng)門檻比較低，汽車是未來(lái)的爆發(fā)點(diǎn)，器件SBD、MOS、OBC、逆變器、IGBT等
5. 規(guī)模：2030 年百億市場(chǎng)
日本市場(chǎng)調(diào)查公司富士經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)，2030年氧化鎵市場(chǎng)規(guī)模 12.2 億美元
6. 政策：國(guó)外嚴(yán)格禁運(yùn)，中國(guó)自力更生
2022年8月12日，美國(guó)商務(wù)部工業(yè)和安全局(BIS)將氧化鎵納入出口管制，我們只能自力更生
二、技術(shù)
7.產(chǎn)業(yè)鏈：襯底→外延→芯片→器件
氧化鎵產(chǎn)業(yè)鏈包括襯底、外延、芯片、器件，其中襯底外延占 60%~70% 價(jià)值
襯底由半導(dǎo)體單晶材料制造而成的晶圓，在經(jīng)過(guò)切、磨、拋等仔細(xì)加工后便是芯片制造的基礎(chǔ)材料拋光片，后面詳細(xì)介紹
外延指的是在拋光后的單晶襯底上生長(zhǎng)一層新單晶薄膜的過(guò)程，外延片相當(dāng)于是半導(dǎo)體器件的功能性部分
外延可以是同質(zhì)外延如氧化鎵基氧化鎵外延片（GaO on GaO）做功率半導(dǎo)體，也可以是異質(zhì)外延如氧化鎵基氮化鎵外延片（GaN on GaO）做光電射頻器件
外延薄膜沉積技術(shù)包括分子束外延技術(shù)（MBE）、分子有機(jī)氣相沉積（MOCVD）、噴霧化學(xué)氣相沉積（mist-CVD)、鹵化物氣相外延沉積技術(shù)（HVPE）等
芯片器件工藝一般從幾百納米到幾千納米，難度不大
8.襯底：EFG導(dǎo)模法、無(wú)銥法
氧化鎵襯底制備方法主要包括焰熔法、提拉法、導(dǎo)模法、光浮區(qū)法、布里奇曼法等
焰熔法處于停滯狀態(tài)
焰熔法通過(guò)氫氧焰燃燒產(chǎn)生的高溫將落下的材料粉末熔化，熔化的材料滴落在下方的籽晶桿上，逐漸冷卻完成晶體的結(jié)晶生長(zhǎng)過(guò)程，優(yōu)點(diǎn)在于氫氧焰溫度能夠達(dá)到2800℃且不使用坩堝避免雜質(zhì)污染，但缺點(diǎn)在于氫氧焰的溫度梯度大，晶體內(nèi)部的熱應(yīng)力較大，生長(zhǎng)晶體的氣孔缺陷明顯，現(xiàn)在處于停滯狀態(tài)
光浮區(qū)法困難很大
光浮區(qū)法又稱懸浮區(qū)熔法或垂直區(qū)熔法，采用大功率的鹵素?zé)艉鸵幌盗袡E球面鏡的光學(xué)系統(tǒng)聚焦，使原料棒和單晶籽晶之間產(chǎn)生熔融區(qū)，籽晶和料棒沿著相同或相反的方向緩慢旋轉(zhuǎn)，熔融區(qū)自上而下或自下而上移動(dòng)，籽晶在熔融區(qū)內(nèi)不斷生長(zhǎng)，逐漸完成整個(gè)單晶棒的結(jié)晶過(guò)程，優(yōu)點(diǎn)在于不采用坩堝，加熱溫度不受坩堝熔點(diǎn)的限制，因此能夠生長(zhǎng)熔點(diǎn)極高的晶體材料，但使用的光學(xué)系統(tǒng)很難形成較大的熔融區(qū)，導(dǎo)致其難以生長(zhǎng)大尺寸的單晶，同時(shí)光浮區(qū)法對(duì)光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)裝置的要求嚴(yán)格
布里奇曼法難以實(shí)現(xiàn)大尺寸
布里奇曼法分為水平布里奇曼法和垂直布里奇曼法，將晶體生長(zhǎng)原料裝入坩堝，然后將坩堝置入具有單向溫度梯度的生長(zhǎng)爐內(nèi)進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。優(yōu)點(diǎn)在于采用全封閉或半封閉的坩堝，能夠防止原料成分受外界雜質(zhì)的影響，提高晶體的生長(zhǎng)質(zhì)量，可以有效控制原料的熔融揮發(fā)現(xiàn)象，有利于生長(zhǎng)揮發(fā)性物質(zhì)的晶體，但受貴金屬坩堝尺寸的限制，難以實(shí)現(xiàn)大尺寸晶體的生長(zhǎng)
EFG 導(dǎo)模法日本NCT率先量產(chǎn)，但成本極高
導(dǎo)模法（Edge-defined film-fed growth method）將內(nèi)部留有毛細(xì)管狹縫的耐熔金屬模具浸入單晶爐的熔體中，熔體通過(guò)毛細(xì)作用下被吸引到模具上表面，熔體在表面張力的作用下形成一層薄膜并向四周擴(kuò)散，放下籽晶使其與熔體薄膜接觸，控制模具頂部的溫度梯度，使籽晶端面結(jié)晶出與籽晶相同結(jié)構(gòu)的單晶，然后通過(guò)提拉機(jī)構(gòu)不斷向上提升籽晶，籽晶經(jīng)過(guò)放肩和等徑生長(zhǎng)完成整個(gè)單晶的制備，優(yōu)點(diǎn)是工藝已經(jīng)跑通，缺點(diǎn)是需要在1800℃左右的高溫含氧環(huán)境下進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，需要耐高溫耐氧不污染晶體的材料貴金屬銥，銥價(jià)格是黃金的三倍，6英寸設(shè)備坩堝造價(jià)就超過(guò)600萬(wàn)，日本NCT采用EFG法供應(yīng)了全球幾乎100%的氧化鎵襯底
無(wú)銥法潛力很大
提拉法將原料放入單晶爐的銥金坩堝中加熱熔化，精確控制爐內(nèi)的溫度分布，使熔體和籽晶產(chǎn)生一定的溫度梯度，然后將晶桿上的籽晶浸入熔體，以合適的速度提拉并轉(zhuǎn)動(dòng)晶桿，處于過(guò)冷狀態(tài)的熔體逐漸結(jié)晶于籽晶上，隨著晶桿的旋轉(zhuǎn)和提拉，晶體的分子或原子在籽晶和熔體交界上不斷進(jìn)行重新排列，逐漸生長(zhǎng)出圓柱狀晶棒，優(yōu)點(diǎn)是可大批量低成本生產(chǎn)大尺寸晶圓，缺點(diǎn)是工藝尚未跑通，日本東北大學(xué)C&A、中國(guó)進(jìn)化半導(dǎo)體正在專注開發(fā)
三、產(chǎn)業(yè)
9. 產(chǎn)業(yè)化核心要素：成本、產(chǎn)業(yè)鏈、示范應(yīng)用
氧化鎵要產(chǎn)業(yè)化?，需要具備至少3個(gè)要素：一是材料成本降低，足以用于產(chǎn)業(yè)二是襯底、外延、器件產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展完善三是出現(xiàn)示范性應(yīng)用，就像特斯拉Model?3引領(lǐng)SiC、小米快充電頭GaN一樣
10. 全球：日本NCT、Flosfia、C&A
美國(guó)、日本、歐洲、韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣和中國(guó)正在開發(fā)氧化鎵晶圓和器件，日本較為領(lǐng)先。2012年日本NCT實(shí)現(xiàn)2英吋氧化鎵晶體和外延；2014年日本NCT實(shí)現(xiàn)2英吋氧化鎵批量產(chǎn)業(yè)化；2017年日本FLOSFIA實(shí)現(xiàn)低成本亞穩(wěn)態(tài)氧化鎵（α相）材料的突破；2018年日本NCT實(shí)現(xiàn)了4英吋氧化鎵材料的突破，日本FLOSFIA實(shí)現(xiàn)了α相氧化鎵外延材料的批量化生產(chǎn)等日本NCT：全球龍頭2015 年?NICT 和村田成立 Novel Crystal Technology，簡(jiǎn)稱 NCT，2021年?duì)I收超過(guò)1億美金，其中中國(guó)超過(guò) 1 億元
日本FLOSFIA：最快上車2011 年成立，三菱、豐田電裝聯(lián)合投資，擬2023年上車
日本C&A：無(wú)銥法2022年成立，源自日本東北大學(xué)，采用無(wú)銥法制造出的氧化鎵結(jié)晶的大小約為 5 厘米
11. 中國(guó)：銘鎵、進(jìn)化
2000 年上海光機(jī)所開始研究，2014年中科院/山東大學(xué)/中電科啟動(dòng)襯底研發(fā)，2016年中電科46所首個(gè)2英寸，2018年首個(gè)4英寸，2022 年科技部將氧化鎵列入“十四五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”
企業(yè)包括北京鎵族、銘鎵、鎵和、鎵創(chuàng)、富加、進(jìn)化、鎵仁等
銘鎵：導(dǎo)模法龍頭
2020年成立，已完成 4 英寸襯底生長(zhǎng)，布局氧化鎵全產(chǎn)業(yè)鏈，是國(guó)內(nèi)導(dǎo)模法龍頭
進(jìn)化：無(wú)銥法龍頭
2021年成立，采用無(wú)銥法生長(zhǎng)襯底，布局氧化鎵全產(chǎn)業(yè)鏈，是國(guó)內(nèi)無(wú)銥法龍頭
12. 產(chǎn)業(yè)化：2025 年襯底外延，2030 年器件應(yīng)用
我們認(rèn)為，2025 年前后四代半導(dǎo)體能實(shí)現(xiàn)襯底外延產(chǎn)業(yè)化，2030 年前后打通產(chǎn)業(yè)鏈上下游實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用
下載ECAD模型
