中國(guó)領(lǐng)跑第四代半導(dǎo)體材料，氧化鎵專(zhuān)利居全球首位

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）半導(dǎo)體材料的突破一直是推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的一大助力，為了滿(mǎn)足日益多元化的芯片需求，半導(dǎo)體材料從以硅、鍺為代表的第一代半導(dǎo)體，以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導(dǎo)體逐步發(fā)展到以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代以及以氧化鎵、氮化鋁為代表的第四代半導(dǎo)體。目前以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體器件正發(fā)展得如火如荼，在商業(yè)化道路上高歌猛進(jìn)。

與此同時(shí)，第四代半導(dǎo)體材料的研究也頻頻取得突破性進(jìn)展。氧化鎵，極具代表性的第四代半導(dǎo)體材料，本質(zhì)是一種無(wú)機(jī)化合物，又名三氧化二鎵。因其突出的特性在未來(lái)，極有可能成為高功率、大電壓應(yīng)用領(lǐng)域的主導(dǎo)材料。

氧化鎵電子器件的優(yōu)勢(shì)在哪里？

在后摩爾時(shí)代，寬禁帶半導(dǎo)體材料性能上的優(yōu)勢(shì)對(duì)電子器件的效率、密度、尺寸等各方面都有著決定性影響。從市面上目前已經(jīng)商用的氮化鎵、碳化硅第三代半導(dǎo)體器件可以很明顯地看到相關(guān)器件在耐壓值、損耗、功率、頻率方面的優(yōu)勢(shì)，氧化鎵材料則是比第三代半導(dǎo)體材料更有優(yōu)勢(shì)。

從材料本身的特性來(lái)說(shuō)，氮化鎵的禁帶寬度大概在3.5eV，碳化硅的禁帶寬度在3.2eV。氧化鎵的禁帶寬度在4.8eV。半導(dǎo)體器件的反向耐壓，正向壓降都和材料的禁帶寬度高度相關(guān)，氧化鎵的優(yōu)勢(shì)也就不言而喻。

以目前氧化鎵非常典型的光電器件應(yīng)用來(lái)說(shuō)，禁帶寬度的提高意味著用這種材料制備出的光電器件所發(fā)出的光或能夠探測(cè)的光波長(zhǎng)就越短。目前用第四代半導(dǎo)體材料制成的光電器件的發(fā)光范圍和光探測(cè)范圍已經(jīng)從紅外延伸到紫外。

另一個(gè)典型應(yīng)用，是我們熟悉的功率器件應(yīng)用。功率器件看重材料的擊穿電強(qiáng)和巴利伽因子（也叫節(jié)能指數(shù)），硅的擊穿電強(qiáng)只有0.3MV/cm，巴利伽因子為1；即便是現(xiàn)在商業(yè)化推進(jìn)火熱的氮化鎵，擊穿電強(qiáng)已經(jīng)不低，為3.3MV/cm，但巴利伽因子也只有810。而氧化鎵的擊穿電強(qiáng)有8MV/cm，巴利伽因子高達(dá)3444。

這意味著氧化鎵功率半導(dǎo)體阻斷狀態(tài)可以承受更高的電壓，導(dǎo)通狀態(tài)具備更高的電流密度和低導(dǎo)通壓降，同時(shí)滿(mǎn)足更短開(kāi)關(guān)時(shí)間和更低損耗開(kāi)關(guān)要求。對(duì)比碳化硅功率器件，氧化鎵功率器件可以將導(dǎo)通電阻降低7成，損耗降低86%。氧化鎵這類(lèi)第四代半導(dǎo)體材料在電子器件應(yīng)用上優(yōu)勢(shì)明顯，前景廣闊。

氧化鎵各地區(qū)布局情況，中國(guó)有效專(zhuān)利居首位

從目前的市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，基本由兩家日本廠商Novel Crystal Technology（NCT）和FLOSFIA壟斷，其中NCT又占據(jù)了絕大部分市場(chǎng)，據(jù)NCT預(yù)測(cè)，氧化鎵晶圓的市場(chǎng)在未來(lái)十年將放量增長(zhǎng)，到2030年度市場(chǎng)規(guī)模將擴(kuò)大到約30.2億元人民幣。另外根據(jù)富士經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)，到2030年，氧化鎵功率元件市場(chǎng)規(guī)模有望突破78.8億元人民幣。

FLOSFIA給出的相關(guān)預(yù)測(cè)規(guī)模更高，F(xiàn)LOSFIA預(yù)計(jì)氧化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模在2030年有望突破人民幣100億元人民幣。

氧化鎵全產(chǎn)業(yè)鏈目前最成熟的確是日本，從2011年起步到現(xiàn)在，只有日本形成了量產(chǎn)，并圍繞電機(jī)、工控等應(yīng)用開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。NCT的2-4英寸氧化鎵襯底已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，現(xiàn)在正在加緊建設(shè)量產(chǎn)線(xiàn)，主要服務(wù)于安川電機(jī)和羅姆。FLOSFIA在2017年實(shí)現(xiàn)了低成本氧化鎵材料的突破，據(jù)稱(chēng)將會(huì)在今年量產(chǎn)氧化鎵器件并供給豐田新能源車(chē)。

氧化鎵SBD，F(xiàn)LOSFIA

美國(guó)對(duì)于氧化鎵的研究從2018年開(kāi)始，目前僅Kyma公司有1寸襯底產(chǎn)品，單晶尺寸上落后于中國(guó)，產(chǎn)業(yè)鏈也較為空白。不過(guò)美國(guó)實(shí)驗(yàn)室在氧化鎵器件成果研究上成果非常突出，創(chuàng)新能力強(qiáng)大，各種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)和工藝極大地推動(dòng)了氧化鎵器件的進(jìn)步。

目光放回國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，我國(guó)對(duì)半導(dǎo)體材料的關(guān)注也在提高，十四五規(guī)劃里就將第三代半導(dǎo)體材料作為發(fā)展的重點(diǎn)，并且在科技規(guī)劃里，將超寬禁帶半導(dǎo)體材料列入了戰(zhàn)略研究布局。目前研發(fā)主力軍集中在各個(gè)高校實(shí)驗(yàn)室和科研院所中，如中電科46所、上海光機(jī)所、北京郵電大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等等。

隨著氧化鎵關(guān)注度的提升，國(guó)內(nèi)目前也有不少專(zhuān)注于氧化鎵材料的企業(yè)比如鎵族科技、富加鎵業(yè)科技、銘鎵半導(dǎo)體、進(jìn)化半導(dǎo)體等，部分已經(jīng)實(shí)現(xiàn)2-4英寸襯底的制備。在產(chǎn)學(xué)研模式的助力下，科研成果也在加速商業(yè)化，如鎵族科技已經(jīng)與合作單位一起實(shí)現(xiàn)1000V耐壓的肖特基二極管模型制作，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)5000V耐壓的MOSFET模型制作；銘鎵半導(dǎo)體已有產(chǎn)品級(jí)單晶襯底和科研級(jí)單晶襯底公布，預(yù)計(jì)2023年底將建成國(guó)內(nèi)首條集晶體生長(zhǎng)、晶體加工、薄膜外延于一體的氧化鎵完整產(chǎn)業(yè)線(xiàn)。

氧化鎵單晶，銘鎵半導(dǎo)體

而不久前，在韓國(guó)舉辦的氧化鎵功率半導(dǎo)體技術(shù)路線(xiàn)圖研討會(huì)，會(huì)議公布了各國(guó)在氧化鎵技術(shù)上的專(zhuān)利情況。根據(jù)AnA Patent對(duì)各個(gè)地區(qū)對(duì)氧化鎵功率半導(dǎo)體元件有效專(zhuān)利分析，截至2022年11月，中、日兩國(guó)專(zhuān)利數(shù)占據(jù)總專(zhuān)利數(shù)50%以上（中國(guó)568件，日本400件），中國(guó)氧化鎵有效專(zhuān)利持有量全球第一。可見(jiàn)我國(guó)對(duì)新型半導(dǎo)體材料研發(fā)的重視。

氧化鎵技術(shù)現(xiàn)狀與前景

從不同地區(qū)的發(fā)展來(lái)看，因?yàn)橄鄬?duì)其他半導(dǎo)體材料，氧化鎵產(chǎn)業(yè)化時(shí)間短，各地區(qū)技術(shù)差距雖然存在，但是并沒(méi)有想象中那么大，在材料端的突破仍然是各地區(qū)在技術(shù)上爭(zhēng)搶的高地。商業(yè)化目前最快的日本，未來(lái)幾年會(huì)進(jìn)入開(kāi)始大規(guī)模導(dǎo)入氧化鎵器件的階段，國(guó)內(nèi)的腳步會(huì)稍慢。

從氧化鎵本身的產(chǎn)業(yè)化來(lái)說(shuō)也相對(duì)容易，因?yàn)楦呒兌鹊难趸墐?chǔ)量豐富，同質(zhì)外延晶體價(jià)格只有碳化硅的五分之一，異質(zhì)外延晶體價(jià)格和硅基基本持平，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程或許會(huì)比碳化硅更快。

目前氧化鎵發(fā)展尚處于早期階段，雖然前面列舉了它很多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是材料自身還存在導(dǎo)熱性較差和結(jié)構(gòu)上的挑戰(zhàn)。除了技術(shù)難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)還需要完善上下游市場(chǎng)相關(guān)配套設(shè)施，借由典型標(biāo)桿性應(yīng)用場(chǎng)景加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度。

小結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，氧化鎵憑借禁帶、擊穿電強(qiáng)等關(guān)鍵性能的優(yōu)勢(shì)，在光電器件、高頻功率器件等領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的關(guān)注和研究興趣。不斷取得突破的氧化鎵未來(lái)將幫助半導(dǎo)體器件在功能和性能上進(jìn)一步做拓展和完善。