第四代半導(dǎo)體氧化鉀，被忽略的商機

三菱電機公司于7月30日宣布，它已入股Novel Crystal Technology, Inc.（以下簡稱“NCT”），一家開發(fā)和銷售氧化鎵晶圓的日本公司。

以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，憑借耐高溫、抗高壓、開關(guān)速度快、效率高、節(jié)能、壽命長等特點，近年來業(yè)界熱度一路飆升。然而，在寬禁帶半導(dǎo)體材料發(fā)展勢如破竹的同時，學(xué)術(shù)界和科研界不約而同地展望下一代半導(dǎo)體材料——氧化鎵（Ga?O?），并將其視為“替代碳化硅和氮化鎵”的新一代半導(dǎo)體材料的代表。

三菱電機早已在碳化硅領(lǐng)域布局多年，近年來其在室內(nèi)空調(diào)、高速鐵路、車載應(yīng)用等領(lǐng)域成效明顯，產(chǎn)能也在不斷擴大。隨著氧化鎵材料及應(yīng)用技術(shù)逐步從研發(fā)階段向商業(yè)化應(yīng)用轉(zhuǎn)化，業(yè)界認為，氧化鎵未來極有可能成為高功率、大電壓應(yīng)用領(lǐng)域的主導(dǎo)者?；诖耍怆姍C也正式出手了。

三菱電機表示，現(xiàn)在期望通過將其在量損耗、高可靠性功率半導(dǎo)體的設(shè)計和制造方面的專業(yè)知識與Novel Crystal Technology在鎵生產(chǎn)方面的專業(yè)知識相結(jié)合，加速其節(jié)能氧化鎵功率半導(dǎo)體的開發(fā)。

氧化鎵科普，有哪些性能優(yōu)勢？

氧化鎵作為第四代材料代表，具備禁帶寬度大（4.8 eV）、臨界擊穿場強高（8MV/cm）、導(dǎo)通特性好（幾乎是碳化硅的10倍）、材料生長成本低等優(yōu)勢。業(yè)界認為，未來，氧化鎵極有可能成為高功率、大電壓應(yīng)用領(lǐng)域的主導(dǎo)者。

上述表格橫向?qū)Ρ攘搜趸壟c碳化硅、氮化鎵的各項性能差異。可以看出，它的各項性能指標較碳化硅以及氮化鎵有著顯著的優(yōu)勢。其中最后兩項數(shù)據(jù)中，BFOM是衡量器件的高功率性能，JFOM是衡量射頻性能。氧化鎵的這兩項數(shù)據(jù)遠遠高于碳化硅、氮化鎵。因此氧化鎵從材料本質(zhì)來說，是適合于高功率以及高頻應(yīng)用的，例如可以有效降低新能源汽車、軌道交通、可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域在能源方面的消耗。

目前已發(fā)現(xiàn)的氧化鎵擁有5種同質(zhì)異形體，材料性質(zhì)各有千秋。目前研究比較多的是β相（熱穩(wěn)定性最佳，禁帶寬度~4.8eV），而α相（高禁帶寬度~5.3eV）和ε相（極化率十倍于氮化鎵，適合于高電子遷移率晶體管）方面的研究也逐漸增加。

所以從材料屬性來說，氧化鎵是一種很有希望的超寬禁帶材料。氧化鎵的優(yōu)勢不僅是材料性能高，更重要的是成本較低。2019年有研究結(jié)論提出，氧化鎵的制造成本較硅略有提高，和碳化硅相比僅有它的三分之一。當然這一點從目前的技術(shù)看還無法實現(xiàn)。

現(xiàn)階段，氧化鎵材料及應(yīng)用技術(shù)處于研發(fā)階段成果向商業(yè)化應(yīng)用轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵階段，當下氧化鎵還有諸多技術(shù)瓶頸待突破，如：由于高熔點、高溫分解以及易開裂等特性，大尺寸氧化鎵單晶制備較難實現(xiàn)，不完善的上下游市場相關(guān)配套設(shè)施等。目前業(yè)界各方都在攻堅克難，爭取早日領(lǐng)先突破。

氧化鎵前景可期，誰在加碼？

業(yè)界資料顯示，目前氧化鎵市場主要由兩家日本廠商NCT和Flosfia壟斷。NCT業(yè)界聞名，其由日本國立通信院NICT與田村制作所Tamura聯(lián)合成立2012年，NICT發(fā)表了首個單晶β-氧化鎵晶體管，擊穿電壓大于250V。同年，NCT突破了2英寸氧化鎵晶體與外延技術(shù)，隨后于2014年實現(xiàn)了氧化鎵材料的量產(chǎn)；2017年與田村制作所合作成功開發(fā)出全球首創(chuàng)氧化鎵MOS型功率電晶體，大幅降低功耗，僅為傳統(tǒng)MOSFET千分之一；2019年開發(fā)出2英寸β型氧化鎵晶圓，不過，由于制造成本高昂，未能被廣泛應(yīng)用，僅限于實驗室研發(fā)；2021年，NCT成功量產(chǎn)4英寸氧化鎵晶圓，并于近年開始供應(yīng)客戶晶圓，使得日本在第三代化合物半導(dǎo)體競賽中再度拔得頭籌。

值得注意的是，日本田村于2019年實現(xiàn)4英寸氧化鎵的批量產(chǎn)業(yè)化，同年該公司還突破了6英寸氧化鎵材料技術(shù)。目前的產(chǎn)業(yè)進度已有6英寸導(dǎo)模法襯底+6英寸HVPE外延+4英寸晶圓。業(yè)界消息顯示，NCT計劃在2023年供應(yīng)6英寸晶圓。

Flosfia則由日本京都大學(xué)孵化，股東涵蓋三菱重工、豐田汽車子公司電裝和日本開發(fā)銀行等。2017年高公司實現(xiàn)了低成本α-氧化鎵材料的突破，2018年實現(xiàn)了α-氧化鎵外延材料的量產(chǎn)。據(jù)稱2022年量產(chǎn)600V 10A SBD、2023年將年產(chǎn)10萬顆器件供給豐田新能源車。

我國來看，中電科46所于2014年前后開始研發(fā)氧化鎵，2016年率先完成制作國內(nèi)首片2英寸氧化鎵單晶，2018年制備國內(nèi)首片4英寸氧化鎵單晶，率先完成了由零至一的突破。

今年2月，中國電科46所宣布成功制備出我國首顆6英寸氧化鎵單晶；此外，今年3月媒體報道，西安郵電大學(xué)在超寬禁帶半導(dǎo)體研究上取得重要進展，該校電子工程學(xué)院管理的新型半導(dǎo)體器件與材料重點實驗室陳海峰教授團隊成功在8英寸硅片上制備出了高質(zhì)量的氧化鎵外延片；今年2月，媒體報道中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院龍世兵教授課題組聯(lián)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(shù)，首次研制出了氧化鎵垂直槽柵場效應(yīng)晶體管。去年12月，銘鎵半導(dǎo)體完成了4英寸氧化鎵晶圓襯底技術(shù)突破，成為國內(nèi)首個掌握第四代半導(dǎo)體氧化鎵材料4英寸相單晶襯底生長技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化公司。

總體來看，我國仍以數(shù)十家科研院所為主要研發(fā)力量，此外，部分企業(yè)（銘鎵半導(dǎo)體、鎵族科技、富加鎵業(yè)、利瀧半導(dǎo)體、進化半導(dǎo)體等）也在加碼。