后摩爾時代的四代半導體

日前Telsa的年度投資者日上，特斯拉發(fā)布了震驚業(yè)界的消息“In our next powertrain, silicon carbide transistors that we mentioned are key component but are expensive, we figure out the way use 75% less, without compromising the performance and the efficiency of the car. So using less of it is a big one for us”。作為引領碳化硅應用的標志性廠商，Telsa的發(fā)言無疑將碳化硅成本高企、供應緊張的尖銳問題再次提上了日程。雖然行業(yè)中大家在尋求各種方式突破上述瓶頸（原料端、長晶方法/切割方法/擴徑/提升良率、溝槽型器件設計等），但中期內(nèi)依然無法保證完全解決新能源車出貨量日益增長及降本的需求和碳化硅原材料供應不足之間的矛盾。那么，除了硅基IGBT和氮化鎵外，是否會有其他材料有可能來解決這個困局呢？

1、什么是氧化鎵？

2022年8月，美國商務部產(chǎn)業(yè)安全局（BIS）對第四代半導體材料氧化鎵和金剛石實施出口管制，認為氧化鎵的耐高壓特性在軍事領域的應用對美國國家安全至關重要。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。我國科技部也將氧化鎵列入“十四五重點研發(fā)計劃”。

氧化鎵，禁帶寬度為4.9eV，遠高于碳化硅（3.2eV）和氮化鎵（3.39eV），僅次于金剛石（5.5eV）和氮化鋁（6.2eV）。2019年9月，中國半導體事業(yè)奠基人黃昆先生誕辰100周年紀念暨半導體學科發(fā)展研討會上將氧化鎵、金剛石和氮化鋁并稱為第四代寬禁帶半導體材料。這三種材料中金剛石的產(chǎn)業(yè)化難度較大；氮化鋁雖然是一種有較大潛力的材料，但目前產(chǎn)業(yè)鏈不成熟令它仍受限于軍工的極紫外探測等特殊領域；氧化鎵在科院院所的帶動和創(chuàng)業(yè)公司的努力下，初露鋒芒。

2、為什么是氧化鎵？

1.功率性能優(yōu)勢：Baliga優(yōu)值可達3,440，是SiC的十倍，單從Baliga優(yōu)質(zhì)這一指標而言，氧化鎵具備優(yōu)秀的功率器件材料潛力；具備高耐壓（極強的臨界場強）、低損耗（更低導通電阻）、高效率、小尺寸的優(yōu)點；氧化鎵材料還擁有更高的熱穩(wěn)定性與深紫外光電特性；

2.制備優(yōu)勢：氧化鎵是五中寬禁帶材料中唯一具有常壓液態(tài)的材料，可以用熔體法制備。熔體法在長速（每小時2厘米）、品質(zhì)控制（位錯低）和產(chǎn)量角度都大大優(yōu)于氣相法；在加熱至1,000℃或濕法加熱至300℃以上時，所有其他四種同分異構體將全部轉化為β晶型，晶型干擾少；相比之下，碳化硅當前的主流制備方案PVT法則不具備上述優(yōu)勢；

3.成本低：制備成本和加工成本（材質(zhì)比硅軟）低，擴徑相對容易，β-氧化鎵具備良好的熱穩(wěn)定性，因此可以使用大量的商業(yè)技術來制造，包括用于制造硅片的提拉法。據(jù)此前與業(yè)內(nèi)公司交流，8寸襯底單價預期可以低至1,000元以下；

4.產(chǎn)線復用：與硅及氮化鎵的晶圓線相似度高于90%，可以復用國內(nèi)閑置未被利用的產(chǎn)線。

3、真的可以是氧化鎵嗎？

1. 從材料特性角度而言，氧化鎵性能優(yōu)勢顯著，但仍存在明顯短板和應用瓶頸—熱導率低（器件散熱及壽命）、電子遷移率低（無法做成射頻器件）、P型摻雜難度高（氧化鎵同質(zhì)PN結作為極其重要的基礎器件難以實現(xiàn)，導致氧化鎵二極管器件缺乏采用同質(zhì)PN結抑制陽極邊緣峰值電場，例如場環(huán)、結終端擴展等）、三斜晶不規(guī)則結構（對加工造成一定影響）。其中：

—熱導率低可以部分用工程方式彌補；日本國家信息與通信技術研究所東京實驗室的研究人員將p型多晶碳化硅粘合到了薄約10μm的氧化鎵晶圓的背面，大大提高了器件的熱阻。美國空軍研究實驗室的研究人員發(fā)現(xiàn)，在某些器件的拓撲結構中，幾乎所有的熱量都是在材料頂部1μm處產(chǎn)生的，因此他們模擬了接觸電極和使用介質(zhì)填料將熱量分流到散熱器的效果，將熱量分流到了散熱器，并取得了較好的結果。這也是目前商用砷化鎵異質(zhì)結雙極晶體管中使用的辦法。從國內(nèi)技術來看，西安電子科技大學的韓根全教授團隊也發(fā)布了一種通過剝離技術將氧化鎵剝離，并鍵合在導熱系數(shù)優(yōu)良的材料上進行后端器件加工的散熱方法。

—電子遷移率低決定了氧化鎵的應用方向主要集中在功率器件；

—P型摻雜技術缺失，場效應晶體管一般為耗盡型器件，增強型結構難以設計和實現(xiàn)，為此，采用其他合適的P型氧化物（P型半導體NiO氧化鎳由于禁帶寬度大及可控摻雜的特點，是目前的較好選擇）材料與氧化鎵形成異質(zhì)結是一種可行解決方案。

2. 常見的導模制備方法中，需要配備貴金屬銥容器來加熱熔化原材料，從而產(chǎn)生氧化鎵結晶。坩堝及貴金屬銥（7-8kg，￥1,200/g，價格逐漸攀升且產(chǎn)量有限，主要靠進口）近千萬成本，且金屬銥為耗材，每爐有損耗。當然，氧化鎵的不同制備方式下不一定需要金屬銥和昂貴的坩堝，例如行業(yè)中有產(chǎn)業(yè)方，以水冷后的銅質(zhì)容器替代貴金屬銥容器，同時將電磁波頻率提高100倍，即可熔化得到約5厘米氧化鎵結晶，極大地降低了制造成本，提高了成品率。

4、誰來做氧化鎵？

目前市場主要由兩家日本廠商Novel Crystal Technology和Flosfia壟斷。其中，NCT占據(jù)幾乎全部市場，在禁令下，2英寸氧化鎵襯底采購價高至2萬元/片。據(jù)NCT預測，氧化鎵晶圓的市場在未來十年將放量增長，到2030年度將擴大到約30.2億元人民幣規(guī)模。富士經(jīng)濟預測2030年氧化鎵功率元件市場規(guī)模將突破78.8億元人民幣。

1. NCT由日本國立通信院NICT與田村制作所Tamura聯(lián)合成立，股東為安川電機和羅姆，是氧化鎵的鼻祖，也是當前行業(yè)的絕對龍頭。2012年，NICT發(fā)表了首個單晶β-氧化鎵晶體管，擊穿電壓大于250V。也是在這一年，日本NCT公司突破了2英寸氧化鎵晶體與外延技術，隨后于2014年該公司又實現(xiàn)了氧化鎵材料的量產(chǎn)，于2021年成功完成了4英寸氧化鎵晶圓量產(chǎn)。日本田村于2019 年實現(xiàn)4寸氧化鎵的批量產(chǎn)業(yè)化，同年該公司還突破了6英寸氧化鎵材料技術。目前的產(chǎn)業(yè)進度已有6寸導模法襯底+6寸HVPE外延+4寸晶圓。據(jù)報道，NCT器件量產(chǎn)產(chǎn)線建設，主要服務于安川電機和羅姆。該公司的目標是在確立晶圓量產(chǎn)技術后，2024年度銷售晶圓的量產(chǎn)裝置。將銷售給大型功率半導體廠商，用于實現(xiàn)純電動汽車等的節(jié)能。

2. Flosfia由京都大學孵化，股東有三菱重工、豐田汽車子公司電裝和日本開發(fā)銀行等。2017年高公司實現(xiàn)了低成本α-氧化鎵材料的突破，2018年實現(xiàn)了α-氧化鎵外延材料的量產(chǎn)。據(jù)稱2022年量產(chǎn)600V 10A SBD、2023年將年產(chǎn)10萬顆器件供給豐田新能源車。

3. 我國由中電科46所于2014年前后開始研發(fā)，2016年率先完成制作國內(nèi)首片2英寸氧化鎵單晶，2018年制備國內(nèi)首片4英寸氮化鎵單晶，率先完成了由零之一的突破。2018年1月，國內(nèi)發(fā)布了唯一氧化鎵行業(yè)標準【β-Ga2O3-N型氧化鎵單晶片規(guī)范】（SJ 21444-2018）。目前行業(yè)中仍以數(shù)十家科研院所為主要研發(fā)力量，除科研院所外，行業(yè)中部分創(chuàng)業(yè)公司（鎵族科技、富加鎵業(yè)、銘鎵半導體、進化半導體）也利用各種方式制備出了4英寸的氮化鎵單晶。

圖： 國內(nèi)氧化鎵核心研發(fā)者一覽圖

5、如何看待氧化鎵？

后摩爾時代，半導體產(chǎn)業(yè)開始了對新架構、新工藝、新材料的全面探索，伴隨著高壓、高溫、高頻等應用場景的增加，各路材料逐漸展露廣闊的市場發(fā)展?jié)摿?。氧化鎵材料及其器件獲得了廣泛關注，該材料具有適合日盲紫外波段的禁帶寬度以及極高的耐擊穿場強，在日盲紫外光電探測，高功率、低損耗半導體器件制備方面具有很大優(yōu)勢，在航空航天、5G通訊、軌道交通、高端裝備、智能電網(wǎng)、新能源汽車等眾多領域具有潛在的應用，市場前景廣闊，是一種非常有潛力的半導體材料。

現(xiàn)階段，氧化鎵材料及應用技術處于研發(fā)階段成果向商業(yè)化應用轉化的關鍵階段，上述技術難點（熱導率低、P型摻雜等技術問題）、不完善的上下游市場相關配套設施、缺乏典型標桿性應用場景，均使得氧化鎵尚未實現(xiàn)大規(guī)模應用。相較日本在半導體新材料領域的商業(yè)化環(huán)境，國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)突破關鍵還是在于是否有具備行業(yè)影響力和系統(tǒng)設計能力的廠商率先嘗試應用。然而，業(yè)界已然看到了氧化鎵的發(fā)展?jié)摿Γ⒎e極開展產(chǎn)業(yè)布局和生態(tài)建設。美國禁令下自主可控的目標、國家政策的大力支持和產(chǎn)業(yè)節(jié)能升級的需求，令氧化鎵比起氮化鎵和碳化硅，有望擁有更快的產(chǎn)業(yè)化進度。

本文來自微信公眾號“CMC資本”（ID:CMCCapital），作者：C位。