國內 “第四代半導體” 迎重大突破！

國內半導體產(chǎn)業(yè)再傳好消息！近日西安郵電大學(xué)由電子工程學(xué)院管理的新型半導體器件與材料重點(diǎn)實(shí)驗室陳海峰教授團隊成功在8吋硅片上制備出了高質(zhì)量的氧化鎵外延片，這一成果標志著(zhù)西安郵電大學(xué)在超寬禁帶半導體研究上取得重要進(jìn)展。

據陳海峰教授介紹，氧化鎵是一種超寬禁帶半導體材料，具有優(yōu)異的耐高壓與日盲紫外光響應特性，在功率器件和光電領(lǐng)域應用潛力巨大。硅上氧化鎵異質(zhì)外延有利于硅電路與氧化鎵電路的直接集成，同時(shí)擁有成本低和散熱好等優(yōu)勢。
01.氧化鎵技術(shù)連續取得突破相信很多人都了解以碳化硅、氮化鎵為主的第三代半導體材料，但對氧化鎵卻少有所聞，氧化鎵是“第四代半導體”的典型代表，憑借其高耐壓、低損耗、高效率、小尺寸等特性，成功進(jìn)入人們的視野。近兩年來(lái)，我國在氧化鎵的制備上連續取得突破性進(jìn)展。今年2月28日，中國電科46所成功制備出我國首顆6英寸氧化鎵單晶，達到國際最高水平。中國電科46所氧化鎵團隊從大尺寸氧化鎵熱場(chǎng)設計出發(fā)，成功構建了適用于6英寸氧化鎵單晶生長(cháng)的熱場(chǎng)結構，突破了6英寸氧化鎵單晶生長(cháng)技術(shù)，可用于6英寸氧化鎵單晶襯底片的研制，將有力支撐我國氧化鎵材料實(shí)用化進(jìn)程和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2月27日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校微電子學(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(chǎng)效應晶體管。相關(guān)研究成果日前分別在線(xiàn)發(fā)表于《應用物理通信》《IEEE電子設備通信》上。去年12月，銘鎵半導體完成了4英寸氧化鎵晶圓襯底技術(shù)突破，成為國內首個(gè)掌握第四代半導體氧化鎵材料4英寸相單晶襯底生長(cháng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化公司。去年5月，浙大杭州科創(chuàng )中心首次采用新技術(shù)路線(xiàn)成功制備2英寸的氧化鎵晶圓，而使用這種具有完全自主知識產(chǎn)權技術(shù)生產(chǎn)的2英寸氧化鎵晶圓在國際上為首次。作為一種新型超寬禁帶半導體材料，氧化鎵在微電子與光電子領(lǐng)域均擁有廣闊的應用前景，可以有效降低新能源汽車(chē)、軌道交通、可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域在能源方面的消耗。為進(jìn)一步推動(dòng)氧化鎵產(chǎn)業(yè)發(fā)展，科技部高新司甚至已于2017年便將其列入重點(diǎn)研發(fā)計劃。此外，安徽、北京等省市也將氧化鎵列為了重點(diǎn)研發(fā)對象。
02.能改變半導體行業(yè)的新技術(shù)？眾所周知，以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導體材料，正憑借耐高溫、抗高壓、開(kāi)關(guān)速度快、效率高、節能、壽命長(cháng)等特點(diǎn)被國內外相關(guān)企業(yè)持續關(guān)注和布局。目前，寬禁帶半導體發(fā)展勢頭正猛，“超禁帶半導體”也悄然入局。氧化鎵作為第四代半導體的代表，被視為“替代碳化硅和氮化鎵”的新一代半導體材料。氧化鎵是一種無(wú)機化合物，化學(xué)式為Ga2O3（三氧化二鎵），是一種寬禁帶半導體。氧化鎵擁有超寬帶隙（4.2-4.9eV）、超高臨界擊穿場(chǎng)強（8MV/cm）、超強透明導電性等優(yōu)異物理性能。作為對比，碳化硅和氮化鎵的帶隙為3.3eV，而硅則僅有1.1eV，遠遠達不到氧化鎵的帶隙，因此，這種新材料可以承受比SiC或GaN器件更高的工作電壓，導通電阻也更低。再加上其能被廣泛采用的天然襯底，不僅可以開(kāi)發(fā)者可以輕易基于此開(kāi)發(fā)出小型化，高效的大功率晶體管。而且可以有效降低新能源汽車(chē)、軌道交通、可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域在能源方面的消耗，是制造大功率半導體主要材料，能使半導體耐受更高電壓及溫度，因此在智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域有著(zhù)廣闊應用前景。此外，氧化鎵薄膜對應的吸收波長(cháng)為253nm，處在太陽(yáng)光盲區（240-280 nm）波段中，因此是制備太陽(yáng)光盲深紫外探測器的理想材料。因此，氧化鎵在日盲紫外（200-300 nm波段）器件和超高功率（1-10 kW）電力電子器件方面有著(zhù)無(wú)法取代的應用價(jià)值。另一個(gè)角度看，氧化鎵擁有更加易于制造的天然襯底，載流子濃度的控制以及固有的熱穩定性。相關(guān)論文表示，用Si或Sn對Ga2O3進(jìn)行N型摻雜時(shí)，可以實(shí)現良好的可控性。盡管某些UWBG半導體（例如AlN，c-BN和金剛石）在BFOM圖表中擊敗了Ga2O3，但它們的廣泛使用受到了嚴格的限制。換而言之，AlN，c-BN和金剛石仍然缺乏高質(zhì)量外延生長(cháng)的合適襯底。最后，從損耗上來(lái)看，理論數據顯示氧化鎵的損耗是硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化鎵的1/3，更少的損耗也就意味著(zhù)能更好地節省成本。另外，氧化鎵單晶可通過(guò)熔融法實(shí)現，單晶襯底成本更低，這都讓產(chǎn)業(yè)界人士對氧化鎵的未來(lái)有了很高的期待。從制造工藝來(lái)說(shuō)，氧化鎵的生長(cháng)分為襯底材料的生長(cháng)和薄膜的生長(cháng)；氧化鎵單晶襯底材料的生長(cháng)方法有升華法，提拉法和HVPE等；氧化鎵單晶薄膜的生長(cháng)技術(shù)有金屬有機氣相沉積法和分子束外延法，其中MOCVD法質(zhì)量較高，可實(shí)現多片快速生長(cháng)，適用于工業(yè)化生產(chǎn)，生長(cháng)采用的金屬有機源為三甲基鎵，氧源為高純氧氣，生長(cháng)溫度為550-700攝氏度。
03.導熱性低、成本高等問(wèn)題尚待優(yōu)化在上文中，我們已經(jīng)詳細的講解了氧化鎵作為新一代半導體材料所具備的優(yōu)勢，但要像大規模落地，還有一些需要解決的缺點(diǎn)：一是氧化鎵導熱性低，在目前已知的所有可用于射頻放大或功率切換的半導體中，氧化鎵的導熱性最差。其熱導率只有金剛石的1／60，碳化硅（高性能射頻氮化鎵的基底）的1／10，約為硅的1／5。低熱導率意味著(zhù)晶體管中產(chǎn)生的熱量可能會(huì )停留，有可能極大地限制器件的壽命。二是成本問(wèn)題，上文中提到氧化鎵器件的損耗更低，但要知道氧化鎵襯底主要采用導模法進(jìn)行生產(chǎn)，導模法需要在1800℃左右的高溫、含氧環(huán)境下進(jìn)行晶體生長(cháng)，對生長(cháng)環(huán)境要求很高，需要耐高溫、耐氧，還不能污染晶體等特性的材料做坩堝，綜合考慮性能和成本只有貴金屬銥適合盛裝氧化鎵熔體。而銥的價(jià)格極其昂貴，接近黃金的三倍，僅坩堝造價(jià)就超過(guò)600萬(wàn)，從大規模生產(chǎn)角度很難擴展設備數量，另一方面，銥只能依賴(lài)進(jìn)口，給供應鏈帶來(lái)很大風(fēng)險。三是氧化鎵器件目前僅有N型材料，而一般大規模應用的半導體材料需要P型和N型共同存在，形成PN結從而參照Si的器件結構和工藝直接制造MOS、IGBT等多種器件，才能有廣泛的市場(chǎng)應用。
04.市場(chǎng)新風(fēng)口，未來(lái)前景有多大？近年來(lái)，以碳化硅、氮化鎵為主的第三代半導體材料需求爆發(fā)，成為資本市場(chǎng)追逐的對象。如今，以氧化鎵為代表的第四代半導體材料的閃亮登場(chǎng)，有望成為半導體賽道的新風(fēng)口。根據日本氧化鎵企業(yè)FLOSFIA預計，2025年氧化鎵功率器件市場(chǎng)規模將開(kāi)始超過(guò)氮化鎵，2030年達到15.42億美元（約人民幣100億元），達到碳化硅的40％，達到氮化鎵的1.56倍。單看新能源車(chē)市場(chǎng)，2021年全球新能源車(chē)銷(xiāo)量650萬(wàn)輛，新能源汽車(chē)滲透率為14.8％，而碳化硅的滲透率為9％，隨著(zhù)新能源車(chē)的滲透率提高，市場(chǎng)規模將逐步擴大，目前碳化硅、氮化鎵還遠未達到能夠左右市場(chǎng)的程度，相比之下氧化鎵的發(fā)展窗口非常充裕。全球功率器件市場(chǎng)和氧化鎵功率器件市場(chǎng)規模（百萬(wàn)美元）在射頻器件市場(chǎng)，氧化鎵的市場(chǎng)容量可參考碳化硅外延氮化鎵器件的市場(chǎng)。碳化硅半絕緣型襯底主要用于5G****、衛星通訊、雷達等方向，2020年碳化硅外延氮化鎵射頻器件市場(chǎng)規模約8.91億美元，2026年將增長(cháng)至22.22億美元（約人民幣150億元）。碳化硅外延氮化鎵器件的市場(chǎng)規模（百萬(wàn)美元）從應用領(lǐng)域來(lái)看，氧化鎵在以下方面將會(huì )得到長(cháng)遠發(fā)展：1．功率電子氧化鎵功率器件跟氮化鎵、碳化硅有部分重合，在軍民應用領(lǐng)域有廣泛的應用前景。在軍用領(lǐng)域可用于高功率電磁炮、坦克戰斗機艦艇等電源控制系統以及抗輻照、耐高溫宇航用電源等，可大幅降低武器裝備系統損耗，減小熱冷系統體積和重量，滿(mǎn)足軍事應用部件對小型化、輕量化、快速化與抗輻照耐高溫的要求；在民用領(lǐng)域可用于電網(wǎng)、電力牽引、光伏、電動(dòng)汽車(chē)、家用電器、醫療設備和消費類(lèi)電子等領(lǐng)域，能夠實(shí)現更大的節能減排；2．襯底材料氧化鎵能通過(guò)提拉法快速制備，是一種有潛力的襯底材料，可用來(lái)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；3．透明導電氧化物薄膜氧化鎵晶體化學(xué)性質(zhì)穩定，不易被腐蝕，機械強度高，高溫下性能穩定，有高的可見(jiàn)光和紫外光的透明度，尤其是其在紫外和藍光區域透明，這是傳統的透明導電材料所不具備的，因此β－Ga2O3單晶可以成為新一代透明導電材料，在太陽(yáng)能電池、平板顯示技術(shù)上得到應用；4．日盲紫外光探測器及氣體傳感器由于氧化鎵高溫下性能穩定，有高的可見(jiàn)光和紫外光的透明度，尤其是在紫外和藍光區域透明，因此日盲紫外探測器是目前氧化鎵比較確定的一條應用路線(xiàn)。
05.日本遙遙領(lǐng)先，國內奮起直追縱觀(guān)氧化鎵發(fā)展歷史，日本遙遙領(lǐng)先全球并引領(lǐng)其商業(yè)化。早在2008年，京都大學(xué)的藤田教授就發(fā)布了氧化鎵深紫外線(xiàn)檢測和SchottkyBarrier Junction、藍寶石（Sapphire）晶圓上的外延生長(cháng)（Epitaxial Growth）等研發(fā)成果。2012年，日本率先獲得2英寸氧化鎵材料，并于2014年實(shí)現了批量產(chǎn)業(yè)化，隨后又實(shí)現了4英寸氧化鎵材料的突破及產(chǎn)業(yè)化；2015年，推出了高質(zhì)量氧化鎵單晶襯底；2016年又推出了同質(zhì)外延片，此后基于氧化鎵材料的器件研究成果開(kāi)始爆發(fā)式出現，各國開(kāi)始爭相布局。在國際上，有三家公司作為氧化鎵襯底、晶圓和器件的開(kāi)發(fā)商和制造商脫穎而出，分別是美國的Kyma Technologies和日本的FLOSFIA和Novel Crystal Technology。2021年，Novel CrystalTechnology全球首次量產(chǎn)了100mm 4英寸的“氧化鎵”晶圓。2022年，Novel CrystalTechnology與大陽(yáng)日酸株式會(huì )社、東京農業(yè)技術(shù)大學(xué)合作，將備受關(guān)注的氧化鎵（β－Ga2O3）用HVPE法成功地在6英寸晶圓上沉積。FLOSFIA則是在2022年，與三菱重工、豐田汽車(chē)子公司電裝和大規模生產(chǎn)使用氧化鎵（硅的替代品）作為半導體材料的功率半導體。國內方面也有不少企業(yè)開(kāi)始布局氧化鎵領(lǐng)域，比如：北京鎵族科技，成立于2017年，專(zhuān)業(yè)從事超寬禁帶（第四代）半導體氧化鎵材料開(kāi)發(fā)及器件芯片應用產(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(xiàn)，具備研發(fā)和小批量生產(chǎn)能力，初步構建了氧化單晶襯底、氧化鎵異質(zhì)／同質(zhì)外延襯底生產(chǎn)和研發(fā)平臺。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)精密機械研究所與杭州市富陽(yáng)區政府共建的“硬科技”產(chǎn)業(yè)化平臺——杭州光機所孵化的科技型企業(yè)，專(zhuān)注于寬禁帶半導體材料研發(fā)，最初技術(shù)來(lái)源于中科院上海光機所技術(shù)研發(fā)團隊，主要從事氧化鎵單晶材料設計、模擬仿真、生長(cháng)及性能表征等工作。北京銘鎵半導體，成立于2020年，是國內專(zhuān)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(zhuān)注于新型超寬禁帶半導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，銘鎵半導體已實(shí)現量產(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)現國產(chǎn)工業(yè)級“氧化鎵”半導體晶片小批量供貨中國廠(chǎng)家，已完成兩輪融資。深圳進(jìn)化半導體，立于2021年，是一家專(zhuān)業(yè)從事第四代半導體氧化鎵（Ga2O3）晶片研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售的半導體企業(yè)，是少有的擁有氧化鎵的單晶爐設計、熱場(chǎng)設計、生長(cháng)工藝、晶體加工等全系列自主知識產(chǎn)權技術(shù)的氧化鎵單晶襯底生產(chǎn)商之一。
06.氧化鎵產(chǎn)業(yè)化初期，國產(chǎn)“突圍”有望目前，國內對于氧化鎵半導體十分看重，早在2018年，我國已啟動(dòng)了包括氧化鎵、金剛石、氮化硼等在內的超寬禁帶半導體材料的探索和研究。2022年，科技部將氧化鎵列入“十四五”重點(diǎn)研發(fā)計劃。除了上文列舉的幾家國內廠(chǎng)商以外，國內氧化鎵材料研究單位還有中電科46所、上海光機所等等，還有數十家高校院所積極展開(kāi)氧化鎵項目的研發(fā)工作，積累了豐富的技術(shù)成果。隨著(zhù)市場(chǎng)需求持續旺盛，這些科研成果有望逐步落地。由于全球氧化鎵產(chǎn)業(yè)均在產(chǎn)業(yè)化的前期，這或許可以幫助國產(chǎn)半導體在全球半導體競爭中實(shí)現“突圍”。 

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