近來，氧化鎵(Ga2O3)作為一種“超寬禁帶半導(dǎo)體”材料，得到了持續(xù)關(guān)注。超寬禁帶半導(dǎo)體也屬于“第四代半導(dǎo)體”，與第三代半導(dǎo)體碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)相比，氧化鎵的禁帶寬度達(dá)到了4.9eV，高于碳化硅的3.2eV和氮化鎵的3.39eV，更寬的禁帶寬度意味著電子需要更多的能量從價帶躍遷到導(dǎo)帶，因此氧化鎵具有耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻照等特性。并且，在同等規(guī)格下，寬禁帶材料可以制造die size更小、功率密度更高的器件，節(jié)省配套散熱和晶圓面積，進(jìn)一步降低成本。

2022年8月，美國商務(wù)部產(chǎn)業(yè)安全局（BIS）對第四代半導(dǎo)體材料氧化鎵和金剛石實(shí)施出口管制，認(rèn)為氧化鎵的耐高壓特性在[敏感詞]領(lǐng)域的應(yīng)用對美國國家安全至關(guān)重要。此后，氧化鎵在全球科研與產(chǎn)業(yè)界引起了更廣泛的重視。

 一、氧化鎵的性能、應(yīng)用和成本 

1.1  第四代半導(dǎo)體材料

[敏感詞]代半導(dǎo)體指硅(Si)、鍺(Ge)等元素半導(dǎo)體材料；第二代半導(dǎo)體指砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等具有較高遷移率的半導(dǎo)體材料；第三代半導(dǎo)體指碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導(dǎo)體材料；第四代半導(dǎo)體指氧化鎵(Ga₂O₃₎、金剛石(C)、氮化鋁(AlN)等超寬禁帶半導(dǎo)體材料，以及銻化鎵(GaSb)、銻化銦(InSb)等超窄禁帶半導(dǎo)體材料。

第四代超寬禁帶材料在應(yīng)用方面與第三代半導(dǎo)體材料有交疊，主要在功率器件領(lǐng)域有更突出的應(yīng)用優(yōu)勢。第四代超窄禁帶材料的電子容易被激發(fā)躍遷、遷移率高，主要應(yīng)用于紅外探測、激光器等領(lǐng)域。第四代半導(dǎo)體全部在我國科技部的“戰(zhàn)略性電子材料”名單中，很多規(guī)格國外禁運(yùn)、國內(nèi)也禁止出口，是全球半導(dǎo)體技術(shù)爭搶的高地。第四代半導(dǎo)體核心難點(diǎn)在材料制備，材料端的突破將獲得極大的市場價值。

注：金剛石、氮化鋁襯底/外延工藝難度大（氣相法生長，每小時幾微米，且尺寸僅毫米級）、成本高等問題，難進(jìn)入功率器件領(lǐng)域。（Ref：H. Sheoran, et al., ACS Appl. Electron. Mater., 4, 2589, 2022）

1.2 氧化鎵的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

氧化鎵有5種同素異形體，分別為α、β、γ、ε和δ。其中β-Ga₂O₃（β相氧化鎵）最為穩(wěn)定，當(dāng)加熱至一定高溫時，其他亞穩(wěn)態(tài)均轉(zhuǎn)換為β相，在熔點(diǎn)1800℃時必為β相。目前產(chǎn)業(yè)化以β相氧化鎵為主。

氧化鎵材料性質(zhì)：

• 超寬禁帶，在超高低溫、強(qiáng)輻射等[敏感詞]環(huán)境下性能穩(wěn)定，并且對應(yīng)深紫外吸收光譜，在日盲紫外探測器有應(yīng)用。

• 高擊穿場強(qiáng)、高Baliga值，對應(yīng)耐壓高、損耗低，是高壓高功率器件不可替代的明星材料。

注：由于日盲紫外器件主要使用氧化鎵薄膜，本報(bào)告中的氧化鎵特指單晶襯底，故主要討論氧化鎵在功率器件、射頻器件等領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.3  氧化鎵：挑戰(zhàn)碳化硅

氧化鎵是寬禁帶半導(dǎo)體中[敏感詞]能夠采用液相的熔體法生長的材料，并且硬度較低，材料生長和加工的成本均比碳化硅有優(yōu)勢，氧化鎵將全面挑戰(zhàn)碳化硅。

1. 氧化鎵的功率性能好、損耗低

氧化鎵的Baliga優(yōu)值分別是GaN和SiC的四倍和十倍，導(dǎo)通特性好。氧化鎵器件的功率損耗是SiC的1/7，也就是硅基器件的1/49。

2. 氧化鎵的加工成本低

氧化鎵的硬度比硅還軟，因此加工難度較小，而SiC硬度高，加工成本極高。

3. 氧化鎵的晶體品質(zhì)好

氧化鎵用液相的熔體法生長，位錯（每平方厘米的缺陷個數(shù)）＜10²cm^-2，而SiC用氣相法生長，位錯個數(shù)約10⁵cm^-2。

4. 氧化鎵的生長速度是SiC的100倍

氧化鎵用液相的熔體法生長，每小時長10~30mm，每爐2天，而SiC用氣相法生長，每小時長0.1~0.3mm，每爐7天。

5. 氧化鎵晶圓的產(chǎn)線成本低，起量快

氧化鎵的晶圓線與Si、GaN以及SiC的晶圓線相似度很高，轉(zhuǎn)換的成本較低，有利于加速氧化鎵的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度。從日本經(jīng)濟(jì)新聞網(wǎng)報(bào)道的原文“Novel Crystal Technology在全球首次成功量產(chǎn)以新一代功率半導(dǎo)體材料氧化鎵制成的100毫米晶圓，客戶企業(yè)可以用支持100毫米晶圓的現(xiàn)有設(shè)備制造新一代產(chǎn)品，有效運(yùn)用過去投資的老設(shè)備?！眮砜矗趸壊幌馭iC需要特殊設(shè)備而必須新建產(chǎn)線，潛在可轉(zhuǎn)換的產(chǎn)能已非常巨大。

1.4  氧化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域：功率器件

氧化鎵的四大機(jī)遇：

• 單極替換雙極：即MOSFET替換IGBT，新能源車及充電樁、特高壓、快充、工業(yè)電源、電機(jī)控制等功率市場中，淘汰硅基IGBT已是必然，硅基GaN、SiC、Ga₂O₃是競爭材料。

• 更加節(jié)能高效：氧化鎵功率器件能耗低，符合碳中和、碳達(dá)峰的戰(zhàn)略。

• 易大尺寸量產(chǎn)：擴(kuò)徑、生產(chǎn)簡單，芯片工藝易實(shí)現(xiàn)，成本低。

• 可靠性要求高：材料穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)可靠，高品質(zhì)襯底/外延。

氧化鎵的目標(biāo)市場：

• 長期來說，氧化鎵功率器件覆蓋650V/1200V/1700V/3300V，預(yù)計(jì)2025年至2030年全面滲透車載和電氣設(shè)備領(lǐng)域，未來也將在超高壓的氧化鎵專屬市場發(fā)揮優(yōu)勢，如高壓電源真空管等應(yīng)用領(lǐng)域。

• 短期來說，預(yù)計(jì)氧化鎵功率器件將在門檻較低、成本敏感的中高壓市場率先出現(xiàn)，如消費(fèi)電子、家電以及能發(fā)揮材料高可靠、高性能的工業(yè)電源等領(lǐng)域。
  

氧化鎵容易取勝的市場：

• 新能源車OBC/逆變器/充電樁

• DC/DC：12V/5V→48V轉(zhuǎn)換

• IGBT的存量市場

（Ref：日本FLOSFIA公司）

1.5  氧化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域：射頻器件

GaN市場需要大尺寸、低成本的襯底，才能真正發(fā)揮GaN材料的優(yōu)勢。

同質(zhì)襯底上生長同質(zhì)外延的外延層品質(zhì)是[敏感詞]的，但由于GaN襯底價格很高，在LED、消費(fèi)電子、射頻等領(lǐng)域采用相對廉價的襯底，如Si、藍(lán)寶石、SiC襯底，但這些襯底與GaN晶體結(jié)構(gòu)的差異會造成晶格失配，相當(dāng)于用成本犧牲了外延品質(zhì)。當(dāng)GaN同質(zhì)外延GaN，才能用在激光器這類要求較高的應(yīng)用場景。

GaN與氧化鎵的晶格失配僅2.6%，以氧化鎵襯底，異質(zhì)外延生長的GaN品質(zhì)高，且無銥法生長6寸氧化鎵的成本接近硅，有望在GaN射頻器件市場得到重要應(yīng)用。

（Ref：美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室AFRL，2020）

（Ref：[1] 日本C&A公司；[2] S. B. Reese, et al., Joule, 3, 899, 2019, 美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)）

1.6  氧化鎵行業(yè)相關(guān)政策

國內(nèi)的支持政策：

美國禁運(yùn)，呼喚國產(chǎn)化：

2022年8月12日，美國商務(wù)部產(chǎn)業(yè)安全局（BIS）對第四代半導(dǎo)體材料氧化鎵（Ga₂O₃）和金剛石實(shí)施出口管制，認(rèn)為其耐高壓特性在[敏感詞]領(lǐng)域的應(yīng)用對美國國家安全至關(guān)重要。

二、氧化鎵襯底的長晶與外延工藝 

2.1 半導(dǎo)體材料的長晶工藝

熔體法是生長半導(dǎo)體材料最理想的方式，有以下幾個優(yōu)勢。

• 尺寸大：小籽晶能夠長出大晶體；

• 產(chǎn)量高：每爐晶錠可切出上千片襯底；

• 品質(zhì)好：位錯可趨于0，晶體品質(zhì)很好；

• 長速快：每小時能夠長幾厘米，比氣相法快得多。

氧化鎵是寬禁帶半導(dǎo)體中[敏感詞]有常壓液態(tài)的材料，即可用上述熔體法生長。氧化鎵生長常用的直拉法為熔體法的一種，需要依賴銥坩堝（貴金屬Ir單質(zhì)），原因是直拉法生長氧化鎵需要高溫富氧的環(huán)境，否則原料容易分解成Ga和O₂，影響產(chǎn)物，而只有貴金屬銥坩堝能夠在這種[敏感詞]環(huán)境下保持穩(wěn)定。

表：半導(dǎo)體材料的長晶工藝對比

（Ref：Y. Yuan,et al., Fundamental Research, 1, 697, 2021）

2.2 氧化鎵的長晶工藝

由于直拉法原料揮發(fā)較多，氧化鎵的長晶工藝從直拉法逐步演變?yōu)橛秀炆w和模具的導(dǎo)模法，兩種方法均需使用銥坩堝，目前導(dǎo)模法已成為主流的氧化鎵長晶方法。

然而由于銥坩堝的成本和損耗太高，生長幾十爐后就會被腐蝕損耗，需要重新熔煉加工，且長晶過程中，銥會形成雜質(zhì)進(jìn)入晶體，產(chǎn)業(yè)界有很強(qiáng)的無銥法開發(fā)需求。

2022年4月，日本經(jīng)濟(jì)新聞網(wǎng)發(fā)布了一則消息，日本C&A公司采用一種銅坩堝的直拉法生長出2寸氧化鎵單晶，能夠?qū)⒊杀窘抵翆?dǎo)模法的1/100。

（Ref：K. Heinselman,et al., Cryst. Growth Des., 22, 4854, 2022；Y. Yuan, et al., Fundamental Research, 1, 697, 2021）

（Ref：日本C&A公司，2022）

氧化鎵生長的工藝流程從原料在坩堝中熔化和拉晶開始，之后經(jīng)過切、磨、拋的工序，形成氧化鎵單晶襯底。再經(jīng)過外延工藝，得到同質(zhì)外延或異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)，最終加工為氧化鎵晶圓。

（Ref：K. Heinselman,et al., Cryst. Growth Des., 22, 4854, 2022；日本C&A公司）

2.3  有銥、無銥的成本對比

• 有銥法：美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）預(yù)測，在無額外晶圓制造工藝優(yōu)化的情況下，有銥法長6寸氧化鎵的成本為283美金（≈2000元人民幣），采用各種節(jié)約成本的措施后，能夠降到195美金。其中，銥坩堝及其損耗占據(jù)過半。

• 無銥法：日本C&A公司報(bào)導(dǎo)了2寸無銥法的成果，宣稱成本能夠大幅下降至導(dǎo)模法的1/100。

（Ref：S. B. Reese, et al., Joule, 3, 899, 2019, 美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)）

2.4  氧化鎵同質(zhì)外延

氧化鎵外延的速率與襯底的晶面取向相關(guān)，(100)面同質(zhì)外延最難，(001)和(010)面較容易，因此在外延和器件工藝中，基本都是選擇(001)或(010)面的氧化鎵襯底。熔體法生長的優(yōu)勢面即(010)徑向面，但是目前主流的EFG導(dǎo)模法僅可得到狹窄長方形晶片，側(cè)面的(100)面最容易獲得大尺寸，為了得到有價值的(001)和(010)面，必須制備大厚度的晶體進(jìn)行斜角側(cè)切，而大厚度晶體工藝較難實(shí)現(xiàn)，僅日本報(bào)道了超過10mm厚度的晶體，因此目前僅日本可以供應(yīng)(001)和(010)面的襯底。

2014年，日本東京農(nóng)工大學(xué)首次在(001)面獲得大尺寸的外延薄膜，同時，2012-2015年間，β-Ga₂O₃大晶圓尺寸提高到了4寸，氧化鎵的外延工藝推動了器件的發(fā)展，真正開啟了氧化鎵功率器件的應(yīng)用。這就要求氧化鎵的襯底廠商能夠提供多規(guī)格晶面的產(chǎn)品。

目前，氧化鎵外延工藝有HVPE（鹵化物氣相外延）和MOCVD（金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積），HVPE設(shè)備可沉積厚膜、長膜速度快、設(shè)備造價低，但相關(guān)設(shè)備國外已禁運(yùn)，我國產(chǎn)業(yè)界正在呼喚國產(chǎn)化的能力。日本NCT公司已使用HVPE實(shí)現(xiàn)了6英寸的氧化鎵外延工藝。

2.5  氧化鎵的摻雜與器件應(yīng)用

與SiC類似，氧化鎵也有導(dǎo)電襯底和半絕緣襯底，通過摻雜不同的元素獲得，在功率器件中有不同的應(yīng)用。

（Ref：Z. Galazka, et al, Journal of Crystal Growth, 404(184), 2014）

（Ref：J. Zhang, et al, Journal of Synthetic Crystals, 49(11), 2020；Y. Lv, et al., Journal of Inorganic Mater., 23(9), 2018）

三、氧化鎵的學(xué)術(shù)研究、應(yīng)用發(fā)展 

3.1  氧化鎵襯底競賽

SiC從2寸到6寸花了20年（1992-2012），而氧化鎵從2寸到6寸僅4年（2014-2018）

• 國外：日本NCT公司領(lǐng)跑全球氧化鎵產(chǎn)業(yè)，供應(yīng)全球近100%的氧化鎵襯底，2寸片2.5萬元，4寸片5-6萬元。

• 國內(nèi)：中電科46所在2018年創(chuàng)造了國內(nèi)的氧化鎵4寸記錄，山東大學(xué)于2022年也報(bào)道了4寸，目前國內(nèi)還未出現(xiàn)有量產(chǎn)能力的公司或院校，一定程度上限制于銥坩堝的成本。

（注：CZ為直拉法，EFG為導(dǎo)模法，均需要用銥坩堝，貴金屬銥的價格約為黃金的三倍。NICT：日本國立信通院；Tamura：日本田村制作所；Namiki：日本精密寶石株式會社；IKZ：德國萊布尼茲晶體生長研究所）

3.2  氧化鎵器件競賽

• 美國：美國的器件研究成果最突出，各種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)和工藝極大地推動了氧化鎵器件的進(jìn)步。

• 日本：得益于襯底和外延片的本國供應(yīng)，最先形成日本國內(nèi)的氧化鎵產(chǎn)業(yè)鏈。

• 中國：隨著我國襯底和外延的進(jìn)步，器件相關(guān)結(jié)果也達(dá)到了國際水平。

NICT：日本國立信通院；Cornell：美國康奈爾大學(xué)）

NICT：日本國立信通院；ARFL：美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室；Buffalo：美國紐約州立大學(xué)布法羅分校）

3.3  針對氧化鎵材料缺點(diǎn)的研究

1、解決導(dǎo)熱率低的問題

盡管氧化鎵存在熱量方面的挑戰(zhàn)，但氧化鎵的散熱是工程可以解決的問題，并不構(gòu)成產(chǎn)業(yè)化障礙。如下圖所示，美國弗吉尼亞理工大學(xué)通過雙面銀燒結(jié)的封裝方式解決散熱問題，能夠?qū)ё咝ぬ鼗Y(jié)處產(chǎn)生的熱量，在結(jié)處的熱阻為0.5K/W，底處1.43，瞬態(tài)時可以通過高達(dá)70A的浪涌電流。

（Ref：B. Wanget al., IEEE Electron Device Lett., 42(8), 2021）

2、解決P型摻雜

氧化鎵能帶結(jié)構(gòu)的價帶無法有效進(jìn)行空穴傳導(dǎo)，因此難以制造P型半導(dǎo)體。近期斯坦福、復(fù)旦等團(tuán)隊(duì)已在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了氧化鎵P型器件，預(yù)計(jì)將逐步導(dǎo)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。如下圖所示，斯坦福大學(xué)在2022年8月發(fā)表了實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)氧化鎵P型垂直結(jié)構(gòu)的成果，以Mg-SOG鎂擴(kuò)散的方式，形成PN結(jié)，開啟電壓為7V，開關(guān)速度10⁹。

（Ref：K.Zenget al., IEEE Electron Device Lett., 43(9), 2022）

四、氧化鎵的產(chǎn)業(yè)鏈與市場空間

4.1  氧化鎵產(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。類比碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈，價值集中于上游襯底和外延環(huán)節(jié)：1顆碳化硅器件的成本中，47%來自襯底，23%來自外延，襯底+外延共占70%。

隨著氧化鎵的成本進(jìn)一步降低，襯底占比會比SiC小得多。

圖：氧化鎵的產(chǎn)業(yè)鏈

4.2  氧化鎵在功率器件的市場

日本氧化鎵領(lǐng)域知名企業(yè)FLOSFIA預(yù)計(jì)，2025年氧化鎵功率器件市場規(guī)模將開始超過GaN，2030年達(dá)到15.42億美元（約人民幣100億元），達(dá)到SiC的40%，達(dá)到GaN的1.56倍。（注：FLOSFIA預(yù)測的數(shù)據(jù)比Yole預(yù)測的偏保守，Yole預(yù)測2027年碳化硅功率器件市場容量62.97億美元，F(xiàn)LOSFIA預(yù)測2030年38.45億美元。）

僅就新能源車市場而言，2021年全球新能源車銷量650萬輛，新能源汽車滲透率為14.8%，而碳化硅的滲透率為9%，隨著新能源車的滲透率提高，市場規(guī)模將逐步擴(kuò)大，目前現(xiàn)在SiC、GaN還遠(yuǎn)未達(dá)到能夠左右市場的程度，相較而言，氧化鎵的發(fā)展窗口非常充裕。

（Ref：日本FLOSFIA公司）

4.3  氧化鎵在射頻器件的市場

氧化鎵在射頻器件的市場容量可參考碳化硅外延氮化鎵器件的市場。SiC半絕緣型襯底主要用于5G基站、衛(wèi)星通訊、雷達(dá)等方向，2020年SiC外延GaN射頻器件市場規(guī)模約8.91億美元，2026年將增長至22.22億美元（約人民幣150億元）。

（Ref：YOLE）

五、氧化鎵的競爭格局與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

日本：IDM全產(chǎn)業(yè)鏈領(lǐng)跑全球

國際上只有日本形成量產(chǎn)并開始產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)電源、工業(yè)電機(jī)控制等，產(chǎn)業(yè)方以安川電機(jī)、佐鳥電機(jī)為主要代表。日本預(yù)計(jì)將在2023年量產(chǎn)氧化鎵功率器件：

• 日常NCT公司已在Ga₂O₃實(shí)驗(yàn)線上制造了器件樣品，正在建設(shè)量產(chǎn)線，計(jì)劃2023年量產(chǎn)。

• 日本FLOSFIA將在2023年Q2之前，氧化鎵器件的產(chǎn)能達(dá)到每月數(shù)十萬個，向汽車零部件廠商等銷售。

• 日本電子零部件廠商田村制作所也將在2024年以每月數(shù)萬個的規(guī)模啟動生產(chǎn)，到2027年將產(chǎn)能提高至每月約6000萬個。

圖：日本FLOSFIA公司的氧化鎵功率器件市場戰(zhàn)略

美國：氧化鎵器件研究最為先進(jìn)

美國目前僅Kyma公司有1寸襯底產(chǎn)品，單晶尺寸上落后于中國，產(chǎn)業(yè)鏈也較為空白。器件成果非常突出，創(chuàng)新能力強(qiáng)大，各種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)和工藝極大地推動了氧化鎵器件的進(jìn)步。

中國：襯底環(huán)節(jié)緊追日本

我國的氧化鎵襯底能夠小批量供應(yīng)，外延、器件環(huán)節(jié)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程幾乎空白，研發(fā)主力軍和突出成果都在高校和科研院所當(dāng)中。不過，我國氧化鎵器件的研發(fā)處于世界Top3，在IP方面，扭轉(zhuǎn)了在SiC領(lǐng)域的被動局面。目前的氧化鎵的產(chǎn)業(yè)階段類似SiC在特斯拉Model 3推出之前的狀態(tài)，技術(shù)儲備已經(jīng)完成，等待標(biāo)志性事件引爆市場。

總的來說，在未來10年，氧化鎵器件將有可能成為直接與碳化硅競爭的電力電子器件，但作為半導(dǎo)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。未來幾年是日本開始大規(guī)模導(dǎo)入氧化鎵的關(guān)鍵階段，中國能否緊跟業(yè)界腳步，需要國內(nèi)氧化鎵產(chǎn)業(yè)界攜手努力。

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