氧化鎵打開芯片大戰新篇章！
氧化鎵是一種很有前途的材料，可用于制造用于電動汽車和其他應用的更高效的功率器件。引人注目的是，該領域領先的美國公司的一個主要投資者是美國國防部。
正如參與其商業化的日本公司Taiyo Nippon Sanso所解釋的，“其作為功率器件的理論性能遠高于硅，也超過了碳化硅和氮化鎵，是一種優秀的材料。”美國、日本、歐洲、韓國、臺灣和中國正在開發氧化鎵晶圓和器件。當美國政府對氧化鎵的國家安全影響發出警告時，日本正在引領其商業化。
氧化鎵材料簡述
GaO氧化鎵單晶材料，是繼Si、SiC及GaN后的第四代寬禁帶半導體材料，已知晶相共6種，包括α，β，γ 等5 種穩定相和1 個瞬態相κ－GaO，其中β 相為熱力學穩定相。GaO熔點約為1793 ℃，高溫下其他相均轉變為β－GaO，通過熔體法只能生長獲得β－GaO單晶。β－GaO在體塊單晶生長方面，相對其他晶相具有明顯優勢。
材料特性
更高的禁帶寬度，晶體禁帶寬度約為4.7eV，遠大于Si( 1.1 eV)、GaAs( 1.4 eV) 、SiC ( 3.3 eV)及GaN ( 3.4 eV) 等材料。大的禁帶寬度使β－GaO具備制作高耐壓、大功率、低損耗功率器件及深紫外光電器件的能力，可以彌補現有半導體材料的不足。
低制作成本，β－GaO在材料制備方面優勢明顯。β－GaO與單晶Si、GaAs 類似，可以采用熔體法生長，晶體制備成本較低。
器件尺寸更小，由于GaO優良的材料特性，GaO材料制作的半導體器件尺寸會更小。
劣勢：遷移率低、導熱率低。
制備方法
氧化鎵單晶生長的研究最早可追溯到20世紀60年代，由于氧化鎵單晶的熔點較高（約為1820 °C），在高溫生長過程中極易分解揮發，導致氧化鎵單晶在生長過程中不穩定，容易產生大量的氧空位，進而造成孿晶、鑲嵌結構、螺旋位錯等缺陷；此外，高溫下氧化鎵分解生成的 GaO、Ga等氣體還會嚴重腐蝕銥金坩堝，因此生長大尺寸高質量的 β-GaO單晶非常困難。
氧化鎵單晶的生長方法主要包括焰熔法、提拉法、光浮區法、導模法、布里奇曼法等，主流制備方法有提拉法和導模法，其中導模法最接近產業化。
導模法(Edge-defined film-fed growth method)又稱為邊緣限定薄膜供料生長法，于20世紀60年代由英國的HAROLD和蘇聯的STEPANOV 相繼提出，該方法實際上是提拉法的一種變形，其生長晶體的原理與提拉法類似，是一種近尺寸成型生長晶體技術，能夠直接從熔體中生長出所需形狀的晶體毛坯，但其對模具的材料和設計要求較高。
導模法生長晶體的原理如下圖所示，將內部留有毛細管狹縫的耐熔金屬模具浸入單晶爐的熔體中，熔體通過毛細作用下被吸引到模具上表面，熔體在表面張力的作用下形成一層薄膜并向四周擴散，放下籽晶使其與熔體薄膜接觸，控制模具頂部的溫度梯度，使籽晶端面結晶出與籽晶相同結構的單晶，然后通過提拉機構不斷向上提升籽晶，籽晶經過放肩和等徑生長完成整個單晶的制備，模具頂部的外形和尺寸大小決定了導模法生長晶體的截面形狀。
與提拉法相比，導模法的優點在于其可以實現定形/定向的晶體生長，晶體的截面形狀和尺寸由模具頂部邊緣的形狀和尺寸決定，且晶體生長速度快，材料利用率高，生產成本低，便于實現晶體生長的產業化。導模法已在藍寶石、單晶硅、閃爍晶體的制備中廣泛使用，但導模法的缺點在于其對模具設備和工藝操作要求較復雜。
在導模法生長氧化鎵單晶技術方面，目前日本走在國際的前列。近年來，日本田村株式會社的 KURAMATA 等對導模法生長氧化鎵單晶技術進行了大量的研究，該公司采用導模法成功生長出6英寸高質量氧化鎵單晶，并實現了2英寸氧化鎵單晶的產業化，處于國際領先地位。
與第三代半導體襯底環節的對比
1、 晶片尺寸
三種材料目前的尺寸基本相當，即單片襯底的芯片產出相差不大（GaO器件做成垂直器件相對會更小，此處差異忽略不計）。SiC已有8寸單晶襯底、GaN（自支撐）目前有4寸量產產品，6寸樣品剛進入市場，未量產暫時未考慮。
2、設備投入：（晶體生長爐+坩堝+晶體加工設備）
GaO設備投入每條產線投入約350萬，SiC設備投入每條產線550萬，GaN設備投入每條產線800萬。
3、生產效率
GaO每月可產出8爐，年產80爐，可產800片，邊角料短期內還可切成10mm * 10mm的小片銷售給科研單位研究用，每爐100片，年產8000片小片。SiC每月可產4爐，年產40爐，可產400片，不能按小片銷售，且良率按30%算約為120片。GaN自支撐襯底產量更小。
外延及芯片加工階段的對比
SiC、GaN的外延生長設備成本就明顯要高出GaO材料數倍，且因為外延時間較短，升溫、降溫的時間要遠遠大于實際外延生長時間，所以幾種材料外延的速度差異并不明顯，而且由于各家技術有差異，用途不同的外延也有些許差別，此處不做更深入的比較。目前各種材料的外延技術較為成熟，可以滿足市場的需求。
芯片加工階段，由于GaO、SiC可以使用垂直結構，所以同等規格下，芯片面積較小，為便于比較，暫時忽略這種優勢，三種材料在功率芯片加工過程的成本差異不大。
綜上可以看出，GaO器件最終成本低于SiC、GaN，且性能更好，具有獨特的競爭優勢。
市場空間
日本氧化鎵行業龍頭NCT預測氧化鎵晶圓的市場到2030年度將擴大到約590億日元（約合4.7億美元）規模，而從市場調查公司富士經濟對寬禁帶功率半導體元件的全球市場預測來看，2030年氧化鎵功率元件的市場規模將會達到1542億日元（約合12.2億美元），這個市場規模要比氮化鎵功率元件的規模（約合8.6億美元）還要大。
有更大膽地預測，氧化鎵比起以往的電子元件更有效率，在晶圓價格方面也比碳化硅等要更為低廉。2030年氧化鎵功率半導體市場規模將達15億美元。
產業化現狀
根據業內人士估計，2~3年時間進行工藝開發、器件設計、樣品制造以及應用展示，1年市場接受，調整產線時間為1年，那么離達到SiC最初商業化的階段差不多只需要5年時間。
目前國內GaO各個產業鏈環節非常薄弱，可用代工Foundry數量為零，外延企業和襯底企業已有幾家，但規模很小且均尚未形成量產。中國臺灣硅錠和硅片制造商和銷售商 Atecom Technology 也經營氧化鎵。在中國大陸，廈門博威先進材料（PAM-XIAMEN）正處于開發該技術的早期階段。目前而言，美、日在這方面還是領先。
總結
SiC 和 GaN 是當今廣泛使用的寬帶隙半導體。超寬帶隙半導體的帶隙大于 GaN。除了氧化鎵，它們還包括氮化鋁和金剛石。雖然不是在所有方面都優越，但氧化鎵的優點是制造起來相對容易并且可能更便宜。它應該在未來幾年內進軍電力設備市場，一旦實現規模經濟，最終可能會對電動汽車做出重大貢獻。
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