第四代半導(dǎo)體材料，氧化鎵深度報告！
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施出口管制，認(rèn)為氧化鎵的耐高壓特性在軍事領(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
第一代半導(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、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)體核心難點在材料制備，材料端的突破將獲得極大的市場價值。
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、強輻射等極端環(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、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。
1.3 氧化鎵：挑戰(zhàn)碳化硅
氧化鎵是寬禁帶半導(dǎo)體中唯一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)化進度。從日本經(jīng)濟新聞網(wǎng)報道的原文“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，有效運用過去投資的老設(shè)備。”來看，氧化鎵不像SiC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、碳達峰的戰(zhàn)略。
易大尺寸量產(chǎn)：擴徑、生產(chǎn)簡單，芯片工藝易實現(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
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)是最好的，但由于GaN襯底價格很高，在LED、消費電子、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。
表：GaN外延的襯底材料對比
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，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）和金剛石實施出口管制，認(rèn)為其耐高壓特性在軍事領(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)體中唯一有常壓液態(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極端環(huán)境下保持穩(wěn)定。
表：半導(dǎo)體材料的長晶工藝對比
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)進入晶體，產(chǎn)業(yè)界有很強的無銥法開發(fā)需求。
2022年4月，日本經(jīng)濟新聞網(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。
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。
2.3 有銥、無銥的成本對比
有銥法：美國國家可再生能源實驗室（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。
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行斜角側(cè)切，而大厚度晶體工藝較難實現(xiàn)，僅日本報道了超過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，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。
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。
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步，器件相關(guān)結(jié)果也達到了國際水平。
3.3 針對氧化鎵材料缺點的研究
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70A的浪涌電流。
2、解決P型摻雜
氧化鎵能帶結(jié)構(gòu)的價帶無法有效進行空穴傳導(dǎo)，因此難以制造P型半導(dǎo)體。近期斯坦福、復(fù)旦等團隊已在實驗室實現(xiàn)了氧化鎵P型器件，預(yù)計將逐步導(dǎo)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
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一步降低，襯底占比會比SiC小得多。
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，2025年氧化鎵功率器件市場規(guī)模將開始超過GaN，2030年達到15.42億美元（約人民幣100億元），達到SiC的40%，達到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)模將逐步擴大，目前現(xiàn)在SiC、GaN還遠(yuǎn)未達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。
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）。
五、氧化鎵的競爭格局與產(chǎn)業(yè)化進展
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)域為工業(yè)電源、工業(yè)電機控制等，產(chǎn)業(yè)方以安川電機、佐鳥電機為主要代表。日本預(yù)計將在2023年量產(chǎn)氧化鎵功率器件：
日常NCT公司已在Ga2O3實驗線上制造了器件樣品，正在建設(shè)量產(chǎn)線，計劃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。
美國：氧化鎵器件研究最為先進
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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