1萬
引言
在數(shù)字化和智能化趨勢的推動下，半導體市場的發(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體市場，并讓國產(chǎn)芯片商實現(xiàn)彎道超車的材料。但氧化鎵也有不少挑戰(zhàn)需要面對和克服。在這篇文章中，與非研究院將詳細介紹氧化鎵的優(yōu)勢、挑戰(zhàn)以及市場前景。
出口管制下的半導體關(guān)鍵原料
2023年8月1日，中國商務(wù)部和海關(guān)總署正式對半導體原料鎵和鍺實施出口管制。對于這一舉動，業(yè)界眾說紛紜，有不少人認為這一舉動是為了回應(yīng)荷蘭ASML對于光刻機出口的管制升級。不過就在2022年8月。美國就將高純度的半導體材料氧化鎵列入禁止對華出口管制清單中。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)計的ECAD軟件納入新的出口管制范圍。
這一出口管制在當時關(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)注到第四代半導體的重要材料——氧化鎵。鎵和鍺是半導體行業(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)動力。
對于中國而言，正值半導體發(fā)展的關(guān)鍵時期，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體技術(shù)的革命中成功，那么中國將有可能從一個制造大國一躍成為制造強國，實現(xiàn)真正的百年未有之大變局。這不僅是對中國科技力量的一次重大考驗，更是展現(xiàn)中國面對全球科技挑戰(zhàn)能力的一次重要機遇。
超越碳化硅，氧化鎵的優(yōu)勢
氧化鎵，這種第四代半導體材料，具備禁帶寬度大（4.8 eV）、臨界擊穿場強高（8MV/cm）、導通特性好等優(yōu)勢。氧化鎵有五種已確認的結(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，擊穿場強高達8 MV/cm，而其導通電阻比SiC、GaN低得多，極大降低了器件的導通損耗。其特性參數(shù)巴利加優(yōu)質(zhì)（BFOM）高達3400，大約是SiC的10倍、GaN的4倍。
圖：按照禁帶寬度排序的半導體材料
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，同時適合國內(nèi)廠商快速提高產(chǎn)能。
四代半導體屬性
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強，使得它在大功率和高頻率應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢。
氧化鎵的具體應(yīng)用和市場潛力
氧化鎵的發(fā)展前景日益凸顯，該市場當前主要由日本的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體競賽中再度保持領(lǐng)先。
據(jù)NCT預測，氧化鎵晶圓的市場在未來十年將放量增長，到2030年度將擴大到約30.2億元人民幣規(guī)模。FLOSFIA預測，到2025年，氧化鎵功率器件市場規(guī)模將開始超過氮化鎵，2030年將達到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)濟的預測，到2030年，氧化鎵功率元件市場規(guī)模將達到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規(guī)模。這種趨勢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。
全球功率器件市場和氧化鎵功率器件市場規(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。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、電動汽車、家用電器、醫(yī)療設(shè)備和消費類電子等領(lǐng)域。
圖：日本FLOSFIA公司的氧化鎵功率器件市場戰(zhàn)略，來源：FLOSFIA
新能源車市場也為氧化鎵提供了巨大的應(yīng)用場景。然而，國內(nèi)在車規(guī)級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，銷售和融資進展較為順利，但是未來仍要自建FAB形成IDM掌握產(chǎn)能、研發(fā)獨有工藝，才能產(chǎn)生差異化的競爭優(yōu)勢。
充電樁對成本非常敏感，這就為氧化鎵提供了機會。如果能滿足甚至超過性能需求的同時，以成本優(yōu)勢獲得市場的認可，那么氧化鎵在這個領(lǐng)域的應(yīng)用就有很大的可能性。
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。新能源汽車的核心是逆變器，對器件的規(guī)格要求非常高。目前，有意法半導體、日立、安森美、Rohm等企業(yè)能夠量產(chǎn)供應(yīng)車規(guī)級SiC MOSFET。預計到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具有廣闊的應(yīng)用前景和市場潛力。
電力電子領(lǐng)域的另一項重要應(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。以二輪電動車市場為例，據(jù)2020年的資料顯示，中國電動兩輪車總體產(chǎn)量為4834萬輛，同比增長27.2%，鋰電滲透率超過16%。面對這樣的市場，氧化鎵、GaN和硅基SG-MOS器件等100V耐壓大電流器件正在瞄準這個應(yīng)用發(fā)力。
在工業(yè)領(lǐng)域，它有幾大機會和優(yōu)勢，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計將在650V/1200V/1700V/3300V的市場中發(fā)揮作用，并預計在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。
筆者認為，未來幾年氧化鎵的競爭焦點將集中在400V平臺的常規(guī)使用650V器件領(lǐng)域。這個領(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、和可靠性等多個因素。然而，隨著技術(shù)的進步，平臺可能升級為800V，這將需要使用1200V或1700V器件，這已經(jīng)是SiC和Ga2O3的優(yōu)勢領(lǐng)域。在這個競爭中，初創(chuàng)企業(yè)有機會通過與客戶深入溝通，建立場景認知、車規(guī)體系和客戶心智，為向車企客戶逆變器應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)。
總的來說，氧化鎵在功率器件領(lǐng)域有很大的潛力，能夠在多個領(lǐng)域與SiC、GaN等材料進行競爭，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)用上的滲透需要時間，需要不斷進行面向特定應(yīng)用的適合規(guī)格的開發(fā)，并逐步向市場推廣。
氧化鎵應(yīng)用領(lǐng)域
圖：國內(nèi)外氧化鎵MOSFET器件進展
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，價值主要集中在上游襯底和外延環(huán)節(jié)：一個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一步降低，襯底占比將會比SiC小得多。
目前，全球各大半導體企業(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)用場景包括通信、雷達、航空航天、高鐵動車、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家半導體企業(yè)、大學和研究所組成，應(yīng)對寬禁帶半導體市場的增長。
日本的Novel Crystal Technology公司計劃于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)由中國科學院上海光學精密機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、模擬仿真、生長及性能表征等工作。
北京銘鎵半導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)實現(xiàn)2英寸氧化鎵襯底材料的量產(chǎn)。
深圳進化半導體是一家專業(yè)從事第四代半導體氧化鎵晶片研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的半導體企業(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結(jié)構(gòu)。
西安郵電大學的科研團隊在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、藍曉科技和南大光電，已在氧化鎵半導體領(lǐng)域進行了深入布局。
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“十四五重點研發(fā)計劃”。各個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、山東大學、上海光機所、上海微系統(tǒng)所、復旦大學、南京大學等，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、深圳進化半導體、上海光機所、鎵族科技、銘鎵半導體、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/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β相GaO單晶薄膜（400nm）與高導熱的Si和4H-SiC襯底晶圓級集成，制備出高性能器件。
與此同時，國內(nèi)的氧化鎵產(chǎn)業(yè)也在蓬勃發(fā)展，預計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)與機遇
作為一種半導體新材料，氧化鎵在未來十年內(nèi)可能直接與碳化硅進行競爭，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)對技術(shù)實力和理解有高要求，如對生長、加工與調(diào)控的理解，以及選擇合適的工藝路線等。獨立設(shè)計的設(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、設(shè)備研發(fā)等方面的深厚技術(shù)積累，并對設(shè)備和工藝有深入理解，以及具備明智的知識產(chǎn)權(quán)策略。知識產(chǎn)權(quán)布局對新材料研發(fā)至關(guān)重要，它能保護企業(yè)的技術(shù)秘密，避免技術(shù)泄露，同時也需要企業(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展上具有優(yōu)勢，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)定化學性質(zhì)、機械強度和在高溫下的穩(wěn)定性能，使其在透明導電氧化物薄膜領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。它在紫外和藍光區(qū)域透明，因此可以用于日盲紫外光探測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，而氧化鎵還需要一兩年的時間才能挑戰(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)良性能和低廉的價格將會讓其在市場中得到廣泛的應(yīng)用。
盡管氧化鎵的特性具有許多優(yōu)點，但還存在熱導率低、P型摻雜等技術(shù)問題，同時由于市場相關(guān)配套設(shè)施不完善，缺乏典型標桿性應(yīng)用場景，氧化鎵尚未實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。對此，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體新材料如氮化鎵和碳化硅，有望在短時間內(nèi)實現(xiàn)更快的產(chǎn)業(yè)化進度，這得益于自主可控的目標、國家政策的大力支持和產(chǎn)業(yè)節(jié)能升級的需求。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，作為半導體新材料，氧化鎵市場規(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。
下載ECAD模型
