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近日，國內(nèi)對第四代半導(dǎo)體材料——氧化鎵的研發(fā)迎來了新的突破。
據(jù)“浙大杭州科創(chuàng)中心”消息，該中心先進(jìn)半導(dǎo)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。
國際首創(chuàng)！浙大開發(fā)新技術(shù)成功制備2英寸氧化鎵晶圓
浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心介紹稱，使用這種具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)生長的2英寸氧化鎵晶圓在國際尚屬首次。
浙大科創(chuàng)中心研發(fā)團(tuán)隊(duì)張輝教授介紹，使用新技術(shù)路線生長的氧化鎵晶圓有兩個(gè)顯著優(yōu)勢：
一是使用這種方法生長出的氧化鎵晶圓的晶面具有特異性，使得制作的功率器件具有較好的性能；
二是由于采用了熔體法新路線，減少了貴金屬銥的使用，使得氧化鎵生長過程不僅更簡單可控，成本也更低，具有更大的產(chǎn)業(yè)化前景。
經(jīng)檢測，科創(chuàng)中心采用新技術(shù)路線研制出的這批氧化鎵晶圓的導(dǎo)電類型為半絕緣型，直徑尺寸達(dá)到50.8±0.5mm，表面粗糙度小于0.5nm，光學(xué)透過率良好，高分辨X射線搖擺曲線測試半高寬小于100弧秒，衍射峰均勻?qū)ΨQ，單晶質(zhì)量較好，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)已達(dá)領(lǐng)域內(nèi)的先進(jìn)水平。
氧化鎵行業(yè)前景廣闊，多國爭搶15億美元市場
當(dāng)前，以碳化硅、氮化鎵為主的第三代半導(dǎo)體材料迅速發(fā)展，但不容忽視的是，以氧化鎵和銻化鎵為主的第四代半導(dǎo)體材料也正在逐漸走進(jìn)人們的視野。
據(jù)悉，使用氧化鎵制作的半導(dǎo)體器件可以實(shí)現(xiàn)更耐高壓、更小體積、更低損耗，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。
有分析師預(yù)測，到2030年，氧化鎵功率半導(dǎo)體市場規(guī)模將達(dá)15億美元。
從全球范圍來看，對于第四代半導(dǎo)體氧化鎵的研究，以日本最為領(lǐng)先。早在2012年，日本便獲得2英寸氧化鎵材料，并于2014年實(shí)現(xiàn)了批量產(chǎn)業(yè)化，隨后又實(shí)現(xiàn)了4英寸氧化鎵材料的突破及產(chǎn)業(yè)化。
據(jù)中國電子報(bào)報(bào)道，日本企業(yè)Novell Crystal Technology正聯(lián)合村田制作所、三菱電機(jī)、日本電裝和富士電機(jī)等科技巨頭，以及東京農(nóng)工大學(xué)、京都大學(xué)和日本國家信息與通信研究院等科研機(jī)構(gòu)，推動(dòng)氧化鎵單晶及襯底材料以及下游功率器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
此外，美國、德國、法國等也在加緊氧化鎵產(chǎn)品的研究和競爭，如美國的空軍研究實(shí)驗(yàn)室、海軍實(shí)驗(yàn)室和宇航局；德國的萊布尼茨晶體生長研究所、以及法國圣戈班等都已加入氧化鎵材料及器件研發(fā)的浪潮中。
專家看好未來發(fā)展，10年后或直接與SiC器件競爭
盡管主流技術(shù)路線生長的氧化鎵晶體，成本比較高，一定程度上影響了氧化鎵材料在國內(nèi)的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，但作為國際科技戰(zhàn)略必爭高地，氧化鎵產(chǎn)品的研制已經(jīng)成為我國未來的研發(fā)重點(diǎn)之一。
2017年9月，氧化鎵被科技部高新司列入重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃；2018年3月，北京市科委率先開展了前沿新材料的研究，把氧化鎵列為重點(diǎn)項(xiàng)目。此外，安徽等省/市也在“十四五”科技創(chuàng)新規(guī)劃公布的集成電路重大專項(xiàng)中提出，研發(fā)氧化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體材料、工藝、器件及芯片。
盡管從目前來看，國內(nèi)氧化鎵的發(fā)展尚處于早期研發(fā)階段，但中國科學(xué)院院士郝躍依然看好氧化鎵的發(fā)展。
在郝躍看來，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。
事實(shí)上，我國對于氧化鎵的研究已有十余年時(shí)間。經(jīng)過多年氧化鎵晶體生長技術(shù)探索，中國電科46所分別于2016年和2018年相繼制備出了國內(nèi)第一片高質(zhì)量的2英寸氧化鎵單晶和4英寸氧化鎵單晶。
2022年3月，中國電科46所再次成功研制出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高耐壓性能半導(dǎo)體材料——HVPE氧化鎵同質(zhì)外延片，填補(bǔ)了國內(nèi)技術(shù)空白。
除了中電科46所外，國內(nèi)研究氧化鎵的機(jī)構(gòu)和高校還包括西安電子科技大學(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)、山東大學(xué)等。
國內(nèi)氧化鎵初創(chuàng)企業(yè)嶄露頭角
眾所周知，第三代半導(dǎo)體材料已經(jīng)吸引了眾多企業(yè)的關(guān)注及投資。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)從事第三代半導(dǎo)體業(yè)務(wù)的企業(yè)達(dá)數(shù)十家，包括露笑科技、斯達(dá)半導(dǎo)、聞泰科技、三安光電、比亞迪等A股企業(yè)。
而從事第四代半導(dǎo)體的企業(yè)數(shù)量暫時(shí)僅有少數(shù)幾家，其中，以杭州富加鎵業(yè)、北京銘鎵半導(dǎo)體、北京鎵族科技、深圳進(jìn)化半導(dǎo)體等為主的初創(chuàng)企業(yè)已經(jīng)開始嶄露頭角。
以下為部分企業(yè)介紹：
01、北京鎵族科技
北京鎵族科技成立于2017年，專業(yè)從事超寬禁帶（第四代）半導(dǎo)體氧化鎵材料開發(fā)及器件芯片應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)公司，涵蓋完整的產(chǎn)業(yè)中試產(chǎn)線，具備研發(fā)和小批量生產(chǎn)能力，初步構(gòu)建了氧化單晶襯底、氧化鎵異質(zhì)/同質(zhì)外延襯底生產(chǎn)和研發(fā)平臺。
2019年，鎵族科技開始向產(chǎn)業(yè)化公司開放服務(wù)，現(xiàn)已為中國電科、中國航天、國家電網(wǎng)公司、索斯克科技等全國100多家從事氧化鎵后端器件開發(fā)的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)客戶提供上游材料保障。
02、杭州富加鎵業(yè)
杭州富加鎵業(yè)成立于2019年，是由中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所與杭州市富陽區(qū)政府共建的“硬科技”產(chǎn)業(yè)化平臺——杭州光機(jī)所孵化的科技型企業(yè)。
杭州富加鎵業(yè)專注于寬禁帶半導(dǎo)體材料研發(fā)，最初技術(shù)來源于中科院上海光機(jī)所技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，主要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。
03、北京銘鎵半導(dǎo)體
銘鎵半導(dǎo)體成立于2020年，是國內(nèi)專業(yè)從事氧化鎵材料及其功率器件產(chǎn)業(yè)化的高新企業(yè)，專注于新型超寬禁帶半導(dǎo)體材料氧化鎵的高質(zhì)量單晶與外延襯底、高靈敏度日盲紫外探測器件和高頻大功率器件等產(chǎn)業(yè)化高新技術(shù)的研發(fā)。
目前，銘鎵半導(dǎo)體已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)2英寸氧化鎵襯底材料，突破4英寸技術(shù)，是目前唯一可實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)工業(yè)級“氧化鎵”半導(dǎo)體晶片小批量供貨中國廠家，已完成兩輪融資。
04、深圳進(jìn)化半導(dǎo)體
進(jìn)化半導(dǎo)體成立于2021年，是一家專業(yè)從事第四代半導(dǎo)體氧化鎵（Ga2O3）晶片研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的半導(dǎo)體企業(yè)，是少有的擁有氧化鎵的單晶爐設(shè)計(jì)、熱場設(shè)計(jì)、生長工藝、晶體加工等全系列自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)的氧化鎵單晶襯底生產(chǎn)商之一。
2021年8月，進(jìn)化半導(dǎo)體宣布，已完成數(shù)千萬元人民幣天使輪融資，將主要用于工藝研發(fā)以及尺寸拓展，預(yù)計(jì)在一年內(nèi)實(shí)現(xiàn)2英寸β相的單晶襯底的小批量生產(chǎn)和銷售。
文 | 全球半導(dǎo)體觀察 禾忍
