全球氧化鎵產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況及對(duì)我國有何啟示

?0 引言?

寬禁帶半導(dǎo)體往往具備高的擊穿場強(qiáng)、高的電子飽和速度和強(qiáng)的抗輻射等特性，在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)博弈加劇的背景下，近年來持續(xù)受到產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。寬禁帶半導(dǎo)體材料主要以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）、氧化鎵（Ga2O3）和金剛石等材料為代表。其中，氧化鎵作為新一代半導(dǎo)體材料，作為低損失性指標(biāo)的的巴利加優(yōu)值（3444）遠(yuǎn)大于 SiC（340）和 GaN（870），因此采用氧化鎵制備的器件有望具備更小尺寸、更低成本以及更低器件損耗等特性，未來有望在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。在我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)加速向數(shù)字化、智能化、綠色化轉(zhuǎn)型升級(jí)的過程中，氧化鎵作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一股新驅(qū)動(dòng)力，若產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)取得重要突破，必將與氮化鎵和碳化硅一樣，深度融入到全球?qū)捊麕О雽?dǎo)體發(fā)展的浪潮中，未來有望在新能源、工控、變頻家電、數(shù)據(jù)中心、5G、IoT 等領(lǐng)域加速滲透。

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?1 發(fā)展現(xiàn)狀?

1.1 從區(qū)域發(fā)展格局看，受氧化鎵自身優(yōu)勢和市場前景驅(qū)動(dòng)，日美等多國正加緊研發(fā)與布局

（1）日本已在襯底—外延—器件等產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)具備全球領(lǐng)先能力，如日本 NCT 和 FLOSFIA 兩家公司引領(lǐng)著日本氧化鎵產(chǎn)業(yè)發(fā)展。其中，NCT 公司目前已實(shí)現(xiàn) 2 英寸、4 英寸的襯底及外延的批量化供應(yīng)，2022 年 7 月宣布計(jì)劃 2025 年每年生產(chǎn) 2 萬片 4 英寸晶圓。另外，F(xiàn)LOSFIA 公司采用噴霧化學(xué)氣相沉積法已成功制備具有全球最小導(dǎo)通電阻的肖特基二極管，已在日本電裝上試用，預(yù)計(jì) 2023 年將為汽車零部件制造商提供每月數(shù)十萬的生產(chǎn)能力。

（2）美國已基本形成氧化鎵產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的研究基礎(chǔ)。如美國空軍研究室已制備出一種抗高壓的增強(qiáng)型氧化鎵 MOSFET。美國能源部先進(jìn)能源研究計(jì)劃署主要資助的 Kyma Technologies 公司亦可提供氧化鎵襯底及外延片的供應(yīng)。

（3）其它國家如德國的 Leibniz 晶體生長研究所、法國 Saint-Gobai 公司等機(jī)構(gòu)均已加入氧化鎵材料器件開發(fā)中。我國氧化鎵發(fā)展以科研單位研究為主，在寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展浪潮下，涌現(xiàn)出一些初創(chuàng)企業(yè)，但產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展緩慢。

1.2 從技術(shù)發(fā)展路徑看，導(dǎo)模法為制備β- 氧化鎵襯底的主要技術(shù)方案，無銥法有望成為新選擇

氧化鎵產(chǎn)業(yè)鏈包括襯底制備、外延層生長、器件研制以及下游應(yīng)用環(huán)節(jié)。當(dāng)前襯底制備是產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展亟需攻克的核心難點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值最高的環(huán)節(jié)。襯底制備主要表現(xiàn)在襯底晶型和工藝方案兩方面：①在襯底晶型生長方面，氧化鎵具有 α、β、γ、ε 和 δ 五種同分異構(gòu)體，β- 氧化鎵為最穩(wěn)定的相[1-2]。②在襯底長晶工藝方面，β- 氧化鎵單晶襯底可通過基于包括浮動(dòng)區(qū)、導(dǎo)模法和直拉法等多種熔體方法生長，其中導(dǎo)模法是傳統(tǒng)直拉法的一種延伸和補(bǔ)充，具備近尺寸生長、異形晶體生長、生長速度快以及加工成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為業(yè)界生長 β-氧化鎵的主流技術(shù)方案[3]。

近年來，日本東北大學(xué)聯(lián)合初創(chuàng)企業(yè) C&A 公司以及我國進(jìn)化半導(dǎo)體公司均已提出熔融的無銥技術(shù)方案，無銥技術(shù)無需使用昂貴的銥坩堝，將顯著降低材料制備成本，且材料生長效率顯著提高，無銥熔體法未來有望成為制備氧化鎵襯底新的技術(shù)路徑。

1.3 從產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)看，鎵下游應(yīng)用廣泛，中國上游鎵儲(chǔ)量在全球占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢地位

目前鎵在發(fā)光器件、微波通信、新型顯示等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，未來有望在集成電路領(lǐng)域有較大應(yīng)用前景，正成為電子工業(yè)的新糧食。如氮化鎵（GaN）和銦氮化稼（InGaN）已成為 LED 成熟的技術(shù)解決方案。GaN 在手機(jī)快充、5G 通信等方面亦具有廣闊應(yīng)用前景。砷化鎵（GaAs）作為第二代半導(dǎo)體材料的代表已在高頻、高速、高溫及抗輻照等微波器件和高速數(shù)字電路中得到重要應(yīng)用。得益于遷移率高、均勻性好等優(yōu)勢，銦鎵鋅氧（IGZO）氧化物半導(dǎo)體近年來在大尺寸面板的應(yīng)用加速滲透。此外，用IGZO 作為有源層制備的場效應(yīng)晶體管（FET）在集成電路后道工序（IC-BEOL）、常關(guān) CPU（晶體管閾值電壓為正，為增強(qiáng)型器件）、DRAM/NAND 和 FPGA 等各種大規(guī)模集成電路（LSI）領(lǐng)域有較大應(yīng)用潛力。作為伴生礦產(chǎn)，鎵在地殼中的含量為 5×10^(-4)%~1.5×10^(-3) %，為典型的稀散元素[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前全球鎵的總儲(chǔ)量為 23 萬噸，中國以占比 8 成以上成為全球金屬鎵的最大生產(chǎn)國，主要供應(yīng)美國、歐盟、日本和韓國等經(jīng)濟(jì)體[5]。

2 面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)?

2.1 產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的機(jī)遇

2.1.1 功率器件不遵循摩爾定律演進(jìn)，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來長時(shí)間窗口機(jī)遇

集成電路器件在制造工藝層面的發(fā)展主要包括尺寸依賴的先進(jìn)工藝和非尺寸依賴的特色工藝兩大方向。在縱向的先進(jìn)工藝中，器件特征尺寸的縮小、工作電壓的降低以及開關(guān)頻率的提高等成為業(yè)界追求目標(biāo)。在橫向的特色工藝中，器件結(jié)構(gòu)的多樣化，芯片在不同場景下如何承受高電壓、輸出高電流、提高電路線性特征和降低噪聲等特征參數(shù)成為主要發(fā)展方向。氧化鎵未來主要應(yīng)用在肖特基二極管、功率MOSFET 等功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，屬于特色工藝制造，對(duì)材料質(zhì)量、制備工藝及器件結(jié)構(gòu)強(qiáng)依賴，對(duì)晶體管溝道長度無明顯微縮要求，一般使用 0.18-0.5μm 制程，器件演進(jìn)無需追趕摩爾定律給氧化鎵發(fā)展帶來長時(shí)間窗口機(jī)遇。

2.1.2 氧化鎵高性能和低成本優(yōu)勢疊加，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來趕超新機(jī)遇

（1）從材料器件性能角度看，氧化鎵禁帶寬度約為 4.9 eV，理論擊穿場強(qiáng)為 8 MV/cm，氧化鎵的更寬禁帶可承受比硅、碳化硅、氮化鎵更強(qiáng)的電場，對(duì)功率器件抗高壓和小體積帶來顯著競爭優(yōu)勢[6]。

（2）從材料器件成本角度看，在原材料環(huán)節(jié)，氧化鎵粉末價(jià)格約為 2000-3000 元 / 千克，碳化硅高純粉達(dá)上萬元 / 千克。在單晶襯底制備環(huán)節(jié)，氧化鎵單晶襯底生長周期普遍比碳化硅短，國際領(lǐng)先企業(yè)生產(chǎn)氧化鎵的效率比碳化硅普遍大 2 倍。若無銥熔體法技術(shù)獲得成功應(yīng)用，生長效率將大幅提升。在器件環(huán)節(jié)，據(jù)測算，氧化鎵器件若實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)后，從同樣基于 6 英寸襯底的器件成本構(gòu)成來看，基于氧化鎵材料的器件成本約為 8000 元，約為碳化硅器件成本的 1/4。

2.1.3 碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略穩(wěn)步推進(jìn)，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來歷史性機(jī)遇

與碳化硅相比，氧化鎵在原材料加工、襯底外延以及器件工作環(huán)節(jié)上具備顯著節(jié)能優(yōu)勢。

（1）原材料加工層面，氧化鎵粉末相比碳化硅粉末制備流程簡單，碳化硅粉末對(duì)純度要求高，提純難度大，將進(jìn)一步增加耗能。

（2）襯底材料生長層面，據(jù)簡單測算，在良率為理想情況下，常用的導(dǎo)模法生長一片 4 英寸氧化鎵襯底約消耗 100kW.h 電能，而物理氣相傳輸法（PVT）生長一片 4 英寸碳化硅則至少需要 300kW.h電能，且碳化硅硬度大導(dǎo)致晶錠在切磨拋過程中消耗的電能更大。

（3）器件工作層面，氧化鎵器件的導(dǎo)通特性是碳化硅的十倍，且開關(guān)損耗是碳化硅的一半，帶來氧化鎵器件更低的導(dǎo)通損耗和更高的功率轉(zhuǎn)換效率。氧化鎵將成為全球推動(dòng)制造業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要利器。

2.2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

2.2.1 受產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期限制，技術(shù)發(fā)展仍需實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵難點(diǎn)突破

全球近年來雖有企業(yè)布局氧化鎵，但從技術(shù)成熟度、應(yīng)用規(guī)?；约巴鈬鷳B(tài)方面來講，仍處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，關(guān)鍵核心技術(shù)仍需進(jìn)一步突破。主要技術(shù)難點(diǎn)如下：

（1）在襯底生長方面：一是常用的導(dǎo)模法生長β- 氧化鎵熔點(diǎn)達(dá) 1820℃，高溫生長過程中極易產(chǎn)生大量氧空位，進(jìn)而造成孿晶、鑲嵌結(jié)構(gòu)、螺旋位錯(cuò)等缺陷[7]。二是高溫下分解生成的 Ga（g）、GaO（g）、GaO2（ g）以及 O2（g）等物質(zhì)會(huì)嚴(yán)重腐蝕銥坩堝[8]。材料外延方面，受氧化鎵背景載流子濃度高影響，對(duì)氧化鎵的 n 型摻雜進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控存在困難。

（2）在器件工作方面：一是氧化鎵熱導(dǎo)率僅為碳化硅的十分之一，硅的五分之一，低的熱導(dǎo)率導(dǎo)致器件工作時(shí)產(chǎn)生大量熱量停留，將極大地限制器件壽命[1]。二是氧化鎵薄膜的 p 型摻雜存在困難，給形成雙極型和 CMOS 器件帶來挑戰(zhàn)[9]。

2.2.2 受材料體系供給多樣影響，高功率器件未來將面臨激烈競爭

當(dāng)前，功率半導(dǎo)體向更寬禁帶演進(jìn)的趨勢愈加明顯，未來高功率器件將出現(xiàn)硅基、碳化硅以及氧化鎵相互競存的發(fā)展局面。競爭分析如下：

一是硅基 IGBT 帶來的競爭。由于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）兼具金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的高輸入阻抗和 BJT 的低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)，近年來在新能源汽車、光伏逆變、儲(chǔ)能等下游應(yīng)用市場帶動(dòng)下，IGBT 需求旺盛。據(jù) BrainyInsights 預(yù)測，全球 IGBT 市場預(yù)計(jì)將從 2021 年的72 億美元增長到 2030 年的 179 億美元。

二是碳化硅器件加速滲透帶來的競爭。由于具備高耐壓、低損耗以及高的開關(guān)性能等特點(diǎn)，碳化硅正加速滲透到新能源汽車以及光伏發(fā)電等領(lǐng)域。據(jù)Grand View Research 預(yù)測，2030 年全球碳化硅器件市場規(guī)模將達(dá)到 79.8 億美元。

三是氧化鎵將在未來功率半導(dǎo)體市場嶄露頭角。據(jù)富士經(jīng)濟(jì)預(yù)測，2030 年氧化鎵功率器件市場規(guī)模將達(dá)到 15 億美元。

2.2.3 受未來價(jià)值進(jìn)一步提升作用，領(lǐng)先國家對(duì)氧化鎵管控趨嚴(yán)

氧化鎵具備抗高壓、強(qiáng)的壓電極化系數(shù)以及抗輻照等特性，在高壓電力控制、移動(dòng)通信射頻和火焰探測（例如導(dǎo)彈尾焰）等場景具備重要應(yīng)用價(jià)值。為此，近年來領(lǐng)先國家加強(qiáng)了管控：

（1）日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省（METI）不斷修訂其出口管制的“最終用戶名單”，給后發(fā)追趕國家采購日企氧化鎵襯底及外延片帶來阻礙。

（2）2021 年 12 月，瓦森納協(xié)定（WA）發(fā)布修改后的管制清單，在半導(dǎo)體基板、高阻率材料襯底以及襯底外延層三個(gè)物項(xiàng)中，新增氧化鎵和金剛石。

（3）2022 年 8 月，美國商務(wù)部工業(yè)與安全局（BIS）對(duì)氧化鎵技術(shù)實(shí)施新的出口管制。以上管制動(dòng)作將為后發(fā)追趕者實(shí)現(xiàn)氧化鎵產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和高水平安全良性互動(dòng)帶來較大沖擊。

3 幾點(diǎn)啟示?

3.1 設(shè)立專項(xiàng)資金，加速產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)技術(shù)突破

一是政府可加大對(duì)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的資金支持，在國內(nèi)外招募優(yōu)秀的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和人才，瞄準(zhǔn)氧化鎵產(chǎn)業(yè)鏈中襯底制備和外延環(huán)節(jié)，重點(diǎn)突破氧化鎵襯底“無銥法”制備技術(shù)、氧化鎵拋光研磨技術(shù)和氫化物氣相外延（HVPE）設(shè)備開發(fā)。二是政府應(yīng)支持有條件企業(yè)或機(jī)構(gòu)開展試驗(yàn)線建設(shè)。利用“賽馬”機(jī)制，力爭 5 年內(nèi)時(shí)間篩選并扶持 1-2 家能夠?qū)崿F(xiàn)氧化鎵襯底量產(chǎn)的“先鋒”企業(yè)。

3.2 培育下游應(yīng)用，壯大氧化鎵半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)生態(tài)

一是國家層面出臺(tái)氧化鎵規(guī)劃性政策，調(diào)動(dòng)重點(diǎn)企業(yè)、高校院所、產(chǎn)業(yè)服務(wù)機(jī)構(gòu)、行業(yè)協(xié)會(huì)、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、國家金融機(jī)構(gòu)、社會(huì)資本等全社會(huì)資源要素力量，提高半導(dǎo)體氧化鎵產(chǎn)業(yè)發(fā)展新勢能。

二是以市場為導(dǎo)向、企業(yè)為主體，打造“政產(chǎn)學(xué)研資”緊密合作的創(chuàng)新生態(tài)，支持行業(yè)重點(diǎn)企業(yè)聯(lián)合高等院校、科研院所和行業(yè)上下游企業(yè)共建制造業(yè)創(chuàng)新中心，承擔(dān)國家重大科技項(xiàng)目，加速孵化氧化鎵下游應(yīng)用企業(yè)。3.3 強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，把握氧化鎵產(chǎn)業(yè)發(fā)展主動(dòng)權(quán)一是加大對(duì)氧化鎵供應(yīng)鏈關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)布局力度，引導(dǎo)國內(nèi)優(yōu)勢企業(yè)承擔(dān)設(shè)備及零部件、材料及原材料、設(shè)計(jì)工具、檢測設(shè)備、廠務(wù)設(shè)施等環(huán)節(jié)研制任務(wù)。二是推動(dòng)國內(nèi)企業(yè)或機(jī)構(gòu)實(shí)施氧化鎵知識(shí)產(chǎn)權(quán)全球布局，主動(dòng)設(shè)置壁壘，形成多套商業(yè)秘密和專利“組合拳”，提高我國氧化鎵供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)話語權(quán)。

?4 結(jié)論?

受氧化鎵明顯優(yōu)勢作用，當(dāng)前各科技強(qiáng)國政府均重視對(duì)氧化鎵的投入，寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域重點(diǎn)企業(yè)也密切關(guān)注全球氧化鎵的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢。氧化鎵相比碳化硅和氮化鎵具有更高的禁帶寬度，該材料在高功率、低損耗半導(dǎo)體器件制備方面具有巨大優(yōu)勢，未來在航空航天、5G 通訊、新能源汽車、軌道交通、高端裝備、智能電網(wǎng)等眾多領(lǐng)域具有巨大潛在的應(yīng)用，市場前景廣闊，且采用氧化鎵材料制備的功率器件將在促進(jìn)我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)、節(jié)能減排等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。政府及我國重點(diǎn)企業(yè)、高校院所、產(chǎn)業(yè)服務(wù)機(jī)構(gòu)、國家金融機(jī)構(gòu)、社會(huì)資本等全社會(huì)資源要素力量應(yīng)緊密協(xié)同，為我國寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)前沿技術(shù)引領(lǐng)和功率半導(dǎo)體等重點(diǎn)領(lǐng)域做大做強(qiáng)盡快注入更大發(fā)展新動(dòng)能。

審核編輯：劉清